Hochenergetische Sauerstoffionen in Jupiters innersten Strahlungsgürteln entdeckt

Von 1995 bis 2003 erforschte die NASA-Raumsonde Galileo das Jupiter-System. Ihre letzten Umlaufbahnen führten die Sonde tief in die innersten Strahlungsgürtel des Riesenplaneten, wo sie auch einen knappen Vorbeiflug an Amalthea durchführte. Bildnachweis: Michael Caroll

Forscher finden darin energiereiche Sauerstoff- und Schwefelionen Jupiter‘s innere Strahlungsgürtel – und eine bisher unbekannte Ionenquelle.

Fast 20 Jahre nach dem Ende NASA‘s Galileo-Mission zum Jupiter haben Wissenschaftler unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland ein neues Geheimnis aus den umfangreichen Datensätzen der Mission entschlüsselt. Das Forscherteam konnte erstmals zweifelsfrei feststellen, dass es sich bei den hochenergetischen Ionen, die den Gasriesen als Teil seines inneren Strahlungsgürtels umgeben, hauptsächlich um Sauerstoff- und Schwefelionen handelt. Sie stammen vermutlich von Vulkanausbrüchen auf dem Jupitermond Io. Nahe der Umlaufbahn des Mondes Amalthea, der Jupiter weiter innen umkreist, entdeckte das Team eine unerwartet hohe Konzentration hochenergetischer Sauerstoffionen, die sich nicht durch die vulkanische Aktivität von Io erklären lässt. Hier muss eine bisher unbekannte Ionenquelle am Werk sein. Die Ergebnisse der Studie wurden heute im Fachblatt veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Planeten wie Erde, Jupiter und Saturn mit globalen Magnetfeldern sind von sogenannten Strahlungsgürteln umgeben: Eingefangen im Magnetfeld sausen schnell bewegte geladene Teilchen wie Elektronen, Protonen und schwerere Ionen umher und bilden so die unsichtbaren, torusförmigen Strahlungsgürtel. Mit ihren hohen Geschwindigkeiten, die fast Lichtgeschwindigkeit erreichen, können die Teilchen andere Moleküle ionisieren, wenn sie kollidieren, wodurch eine gefährliche Umgebung entsteht, die auch für Raumsonden und ihre Instrumente gefährlich sein kann. Der Gasriese Jupiter weist in dieser Hinsicht die extremsten Strahlungsgürtel im Sonnensystem auf. In ihrer neuen Veröffentlichung stellen Forscher des MPS, des California Institute of Technology (USA), des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (USA), des Laboratory of Instrumentation and Experimental Particle Physics (Portugal) und der Academy of Athens (Griechenland) jetzt vor stellen die bisher umfassendste Studie über die Schwerionen in Jupiters inneren Strahlungsgürteln vor.

Jupiters innerste Strahlungsgürtel

Während die hochenergetischen Sauerstoff- und Schwefelionen außerhalb der Umlaufbahn von Amalthea aus der fernen Magnetosphäre als Nebenprodukte der Vulkanausbrüche von Io geliefert werden, muss eine andere Quelle für die hohe Konzentration von hochenergetischen Sauerstoffionen im Inneren von Amalthea verantwortlich sein, die deren Übertragung verhindert Ionen auf seiner Umlaufbahn. Bildnachweis: MPS

Wie Jupiters massives Magnetfeld erstrecken sich seine Strahlungsgürtel mehrere Millionen Kilometer in den Weltraum; Allerdings ist die Region innerhalb der Mondumlaufbahn von Europa, ein Gebiet mit einem Radius von etwa 670.000 Kilometern um den Gasriesen, Schauplatz der höchsten energetischen Teilchendichten und -geschwindigkeiten. Vom Jupiter aus gesehen ist Europa der zweite der vier großen Jupitermonde, die nach ihrem Entdecker im 17. Jahrhundert „Galileische Monde“ genannt wurden. Io ist der innerste galiläische Mond. Mit den Raumsonden Pioneer 11 Mitte der 1970er Jahre, Galileo von 1995 bis 2003 und aktuell Juno haben sich bisher drei Weltraummissionen in diesen innersten Teil dieser Strahlungsgürtel vorgewagt und In-situ-Messungen durchgeführt. „Leider lassen die Daten von Pioneer 11 und Juno keinen zweifelsfreien Rückschluss zu, auf welche Art von Ionen die Raumsonde dort gestoßen ist“, beschreibt MPS-Wissenschaftler Dr. Elias Roussos, Erstautor der neuen Studie, den aktuellen Stand der Forschung. „Deshalb waren ihre Energien und ihre Herkunft bisher auch unklar“, fügt er hinzu. Erst die jetzt wiederentdeckten Daten aus den letzten Monaten der Galileo-Mission sind detailliert genug, um diese Situation zu verbessern.

Vorstoß in die inneren Strahlungsgürtel

Die Galileo-Raumsonde der NASA erreichte 1995 das Jupiter-System. Ausgestattet mit dem Schwerionenzähler (HIC), der vom California Institute of Technology beigesteuert wurde, und dem Energetic Particle Detector (EPD), der vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Zusammenarbeit mit dem entwickelt und gebaut wurde MPS verbrachte die Mission die folgenden acht Jahre damit, grundlegende Einblicke in die Verteilung und Dynamik geladener Teilchen rund um den Gasriesen zu liefern. Zum Schutz des Raumfahrzeugs flog es jedoch zunächst ausschließlich durch die äußeren, weniger extremen Bereiche der Strahlungsgürtel. Erst 2003, kurz vor Ende der Mission, als ein größeres Risiko vertretbar war, wagte sich Galileo in die innerste Region innerhalb der Umlaufbahnen der Monde Amalthea und Thebe. Von Jupiter aus gesehen sind Amalthea und Thebe der dritte und vierte Mond des Riesenplaneten. Die Bahnen von Io und Europa liegen weiter außen.

„Aufgrund der starken Strahlenbelastung war zu erwarten, dass die Messdaten von HIC und EPD aus dem inneren Bereich des Strahlengürtels stark verfälscht werden. Schließlich wurde keines dieser beiden Instrumente speziell für den Einsatz in einer so rauen Umgebung entwickelt“, beschreibt Roussos seine Erwartungen, als er vor drei Jahren mit der Arbeit an der aktuellen Studie begann. Trotzdem wollte sich der Forscher selbst ein Bild machen. Als Mitglied der NASA Kassini Mission hatte er zwei Jahre zuvor Cassinis letzte, ähnlich gewagte Umlaufbahnen um den Saturn miterlebt und die einzigartigen Daten aus dieser letzten Missionsphase analysiert. „Der Gedanke an die längst abgeschlossene Galileo-Mission kam mir immer wieder in den Sinn“, erinnert sich Roussos. Zu seiner eigenen Überraschung gab es unter vielen unbrauchbaren Datensätzen auch solche, die mit viel Aufwand verarbeitet und analysiert werden konnten.

Rätselhafte Sauerstoffionen

Mit Hilfe dieses wissenschaftlichen Schatzes konnten die Autoren der aktuellen Studie nun erstmals die Ionenzusammensetzung innerhalb der inneren Strahlungsgürtel sowie deren Geschwindigkeiten und räumliche Verteilung bestimmen. Im Gegensatz zu den von Protonen dominierten Strahlungsgürteln von Erde und Saturn enthält die Region innerhalb der Umlaufbahn von Io auch große Mengen der viel schwereren Sauerstoff- und Schwefelionen, wobei unter beiden die Sauerstoffionen überwiegen. „Die Energieverteilung der schweren Ionen außerhalb der Umlaufbahn von Amalthea deutet darauf hin, dass sie größtenteils aus einer weiter entfernten Region der Strahlungsgürtel eingeführt werden“, sagt Roussos. Hauptquellen dürften der Mond Io mit seinen mehr als 400 aktiven Vulkanen sein, die immer wieder große Mengen an Schwefel und Schwefeldioxid ins All schleudern, und in geringerem Maße auch Europa.

Weiter innen, innerhalb der Umlaufbahn von Amalthea, ändert sich die Ionenzusammensetzung drastisch zugunsten von Sauerstoff. „Die Konzentration und Energie der Sauerstoffionen dort ist viel höher als erwartet“, sagt Roussos. Eigentlich müsste die Konzentration in dieser Region abnehmen, da die Monde Amalthea und Thebe einfallende Ionen absorbieren; die Bahnen der beiden kleinen Monde bilden somit eine Art natürliche Ionenbarriere. Dieses Verhalten ist beispielsweise von Strahlungsgürteln des Saturnsystems mit seinen vielen Monden bekannt.

Die einzige Erklärung für die erhöhte Konzentration von Sauerstoffionen ist daher eine andere, lokale Quelle im innersten Bereich der Strahlungsgürtel. Eine Möglichkeit stellt die Freisetzung von Sauerstoff nach Kollisionen von Schwefelionen mit den Feinstaubpartikeln der Jupiterringe dar, wie die Computersimulationen der Forscher zeigen. Die Ringe, die viel schwächer als die Saturnringe sind, reichen etwa bis zur Umlaufbahn von Thebe. Es ist aber auch denkbar, dass niederfrequente elektromagnetische Wellen in der magnetosphärischen Umgebung der innersten Strahlungsgürtel Sauerstoffionen auf die beobachteten Energien erhitzen.

„Derzeit ist es nicht möglich, zugunsten einer dieser möglichen Quellen zu unterscheiden“, sagt Roussos. Jeder dieser beiden Kandidatenmechanismen hat jedoch Parallelen zur hochenergetischen Teilchenproduktion in stellaren oder extrasolaren Umgebungen, was weiter belegt, dass Jupiters Strahlungsgürtel sich bis in den astrophysikalischen Bereich erstrecken, eine Tatsache, von der der Forscher hofft, dass sie ihre zukünftige Erforschung mit einer speziellen Weltraummission rechtfertigen würde .

Verweise:

„Eine Quelle sehr energetischen Sauerstoffs in Jupiters inneren Strahlungsgürteln“ von Elias Roussos, Christina Cohen, Peter Kollmann, Marco Pinto, Norbert Krupp, Patricia Gonçalves und Konstantinos Dialynas, 12. Januar 2022, Wissenschaftliche Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.abm4234

„Die In-situ-Erkundung von Jupiters Strahlungsgürteln“ von Elias Roussos, Oliver Allanson, Nicolas André, Bruna Bertucci, Graziella Branduardi-Raymont, George Clark, Konstantinos Dialynas, Iannis Dandouras, Ravindra T. Desai, Yoshifumi Futaana, Matina Gkioulidou, Geraint H. Jones, Peter Kollmann, Anna Kotova, Elena A. Kronberg, Norbert Krupp, Go Murakami, Quentin Nénon, Tom Nordheim, Benjamin Palmaerts, Christina Plainaki, Jonathan Rae, Daniel Santos-Costa, Theodore Sarris, Yuri Shprits, Ali Sulaiman, Emma Woodfield, Xin Wu und Zonghua Yao, 30. Oktober 2021, Experimentelle Astronomie.
DOI: 10.1007 / s10686-021-09801-0


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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