Jowisz jest inny, niż sądziliśmy. „Przez pół wieku żyliśmy w błędzie”

Sonda Juno właśnie wprawiła w ekscytację choćby najbardziej sędziwych uczonych. Jowisz po 50 latach okazuje się znacznie bardziej spłaszczony, niż sądziliśmy.

Niby patrzymy na ten sam obiekt, ale nagle widzimy go wyraźniej, ostrzej, pełniej. Tak właśnie wygląda historia najnowszych pomiarów Jowisza – planety, którą ludzkość obserwuje od tysięcy lat, a mimo to dopiero teraz zaczyna naprawdę rozumieć.

Przez pół wieku opieraliśmy się na danych z sond Pioneer 10 oraz Voyagerów 1 i 2. To one w latach 70. wykonały pierwsze pomiary rozmiarów gazowego giganta. Problem w tym, iż były to pomiary oparte na zaledwie kilku profilach radiowych, obarczone dużą niepewnością i – co dziś wiemy na pewno – ignorujące wpływ ekstremalnych wiatrów w atmosferze Jowisza. Wtedy nie było innego wyjścia. Dziś mamy Juno.

I to właśnie Juno, po latach orbitowania wokół planety, dostarczyła danych, które zmuszają naukowców do przepisania rozdziału o budowie największej planety Układu Słonecznego.

Jowisz jest cieńszy na równiku i bardziej spłaszczony na biegunach. I to o zaskakująco dużo

Według nowych analiz opublikowanych w Nature Astronomy Jowisz jest:

• około 8 km cieńszy na równiku,
• około 24 km bardziej spłaszczony na biegunach,
• a różnica między promieniem równikowym a biegunowym wynosi około 7 proc.

To oznacza, iż Jowisz jest około 20 razy bardziej spłaszczony niż Ziemia.

Dla laika kilka czy kilkanaście kilometrów różnicy może brzmieć jak statystyczna bzdura niewarta uwagi. Dla planetologów to zmiana fundamentalna. Modele wnętrza Jowisza są ekstremalnie wrażliwe na geometrię planety – bo to ona wpływa na rozkład masy, dynamikę atmosfery, a choćby interpretację pomiarów grawitacyjnych.

Południowy biegun Jowisza widziany przez sondę kosmiczną Juno podczas bliskiego przelotu

Jak zmierzyć planetę, której nie da się dotknąć? Juno robi to radiową tomografią

Sonda Juno nie ma na pokładzie żadnej kosmicznej linijki. Zamiast tego wykorzystuje zjawisko, które w elektronice i telekomunikacji znamy aż za dobrze: zniekształcenia sygnału radiowego.

Gdy Juno przechodzi za Jowiszem z perspektywy Ziemi jej sygnał radiowy jest filtrowany przez kolejne warstwy atmosfery planety. Każde odchylenie częstotliwości, każda zmiana fazy, każde załamanie fali niesie informację o temperaturze, gęstości i strukturze gazów. To swoista tomografia komputerowa, tyle iż wykonywana na obiekcie o średnicy ponad 140 tys. km.

Kluczowe było połączenie tej techniki z wcześniejszymi badaniami dotyczącymi wpływu huraganowych wiatrów Jowisza na pomiary. Bez uwzględnienia tych efektów wyniki byłyby ponownie zafałszowane. Dopiero synergia pracy zespołów z Instytutu Weizmanna, JPL, University of Arizona, UC Berkeley, University of Zurich, Georgia Tech i Boston University pozwoliła uzyskać precyzję, o której pionierzy z lat 70. mogli tylko marzyć.

Dlaczego Jowisz jest tak spłaszczony? Winna jest rotacja, ale nie tylko

Juno nad Jowiszem (wizja artystyczna)

Jowisz obraca się wokół własnej osi w nieco poniżej 10 godzin. To najszybsza rotacja wśród wszystkich planet Układu Słonecznego. W efekcie siła odśrodkowa na równiku jest ogromna – wystarczająca, by rozciągnąć planetę i nadać jej wyraźnie obły kształt.

Ale to dopiero początek historii.

Wnętrze Jowisza to nie jednorodna kula gazu. To warstwy o różnej gęstości, temperaturze i składzie chemicznym, w tym prawdopodobnie ocean metalicznego wodoru, który zachowuje się jak płynny metal przewodzący prąd. Każda zmiana w geometrii planety wpływa na to, jak interpretujemy dane o jej polu magnetycznym, grawitacji i dynamice atmosfery. Dlatego właśnie korekta rzędu kilkunastu kilometrów ma tak duże znaczenie.

Jowisz jest dla astronomów tym, czym krzem dla elektroniki: punktem odniesienia. jeżeli rozumiemy Jowisza, łatwiej nam zrozumieć:

• Saturna, którego pierścienie i atmosfera kryją podobne zjawiska,
• Urana i Neptuna, gdzie ekstremalne ciśnienia tworzą egzotyczne formy materii,
• a przede wszystkim egzoplanety – tysiące gazowych gigantów odkrytych wokół innych gwiazd.

Wiele z nich to tzw. gorące Jowisze, planety o masach zbliżonych do Jowisza, ale orbitujące ekstremalnie blisko swoich gwiazd. Aby poprawnie interpretować ich krzywe tranzytowe, widma atmosferyczne czy zmiany jasności, musimy mieć precyzyjny model tego, jak zachowuje się gazowy gigant. A ten model zaczyna się od… dokładnych wymiarów.

Nowe dane z Juno to więc nie tylko aktualizacja tabelki w podręczniku. To korekta fundamentu, na którym stoi cała współczesna astrofizyka planetarna.

Co dokładnie zmierzono?

Aktualne wymiary Jowisza

Nowe wartości promieni Jowisza wynoszą:

• Promień równikowy: około 71 484 km
• Promień biegunowy: około 66 878 km

Jowisz nie zmienił się ani o milimetr. Zmieniło się tylko to, jak go mierzymy. A to wystarczyło, by zrewidować modele jego wnętrza, dynamiki atmosfery i ewolucji. To również przypomnienie, iż nauka nie stoi w miejscu. Dane z lat 70. były najlepsze, jakie mieliśmy. Dziś mamy Juno, za dekadę będziemy mieć kolejne misje, a za pół wieku być może będziemy potrafili zajrzeć do wnętrza gazowych gigantów z dokładnością do metrów.

W astronomii każdy piksel, każdy herc i każdy kilometr ma znaczenie. A w przypadku Jowisza – największej planety Układu Słonecznego – te kilkanaście kilometrów właśnie zmieniło wszystko.