Forscher nutzen den VLT-Exoplanetenjäger, um Jupiters Winde zu untersuchen

Zum ersten Mal wurde in einer Studie über Jupiters Winde ein Instrument zum Auffinden lichtjahre entfernter Planeten an einem Objekt im Sonnensystem eingesetzt.

Wir befinden uns in einer Zeit, in der es fast alltäglich geworden ist, Planeten zu entdecken, die einen anderen Stern umkreisen. Mehr als 5.000 davon sind bereits registriert. Die ersten fernen Welten, die in diese Liste aufgenommen wurden, waren hauptsächlich Riesenplaneten, die Jupiter und Saturn ähnelten, sich aber in vielerlei Hinsicht stark von ihnen unterschieden.

Astrophysiker haben bereits damit begonnen, Daten über die Atmosphären von Exoplaneten zu sammeln, grundlegende Fragen zur Atmosphäre des größten Planeten im Sonnensystem müssen jedoch noch beantwortet werden. Um zu verstehen, was in den Wolken und Luftschichten des Jupiter passiert, ist es notwendig, es im Laufe der Zeit in kontinuierlichen Beobachtungen zu studieren.

Zum ersten Mal wurde ein Instrument, das entwickelt wurde, um Lichtjahre entfernte Welten, Exoplaneten, zu finden und zu analysieren, auf ein Ziel im Sonnensystem gerichtet, das 43 Lichtminuten von der Erde entfernt ist: den Planeten Jupiter.

Forscher des Instituts für Astrophysik und Weltraumwissenschaften (IA) an der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Lissabon (Portugal) (Ciências ULisboa) verwendeten den am VLT-Teleskop der Europäischen Südsternwarte (ESO) installierten ESPRESSO-Spektrographen zur Messung der Windgeschwindigkeiten auf Jupiter. Der Die Ergebnisse sind nun veröffentlicht im Tagebuch Universum.

Die vom Team entwickelte Methode heißt Doppler-Geschwindigkeitsmessung und basiert auf der Reflexion des sichtbaren Lichts der Sonne durch Wolken in der Atmosphäre des Zielplaneten. Die Wellenlänge dieses reflektierten Lichts wird proportional zur Geschwindigkeit gebogen, mit der sich die Wolken relativ zum Teleskop auf der Erde bewegen. Dies gibt die momentane Windgeschwindigkeit am beobachteten Punkt an.

Die jetzt mit ESPRESSO verwendete Methode wurde von der Forschungsgruppe Planetary Systems des IA zusammen mit anderen Spektrographen entwickelt, um die Atmosphäre der Venus zu untersuchen. Die Forscher messen seit mehreren Jahren die Winde dieses Nachbarplaneten und tragen zur Modellierung seiner allgemeinen Atmosphäre bei.

Die explorative Anwendung dieser Methode mit einem Spitzeninstrument wie ESPRESSO hat zu einem Erfolg geführt, der der Kenntnis unserer kosmischen Nachbarschaft neue Horizonte eröffnet. Diese Arbeit bestätigt die Machbarkeit einer systematischen Überwachung der entferntesten Atmosphären auf Gasplaneten.

Im Juli 2019 richtete das Team das VLT-Teleskop fünf Stunden lang auf die äquatoriale Zone des Jupiter, wo sich in größerer Höhe leichte Wolken befinden, sowie auf die nördlichen und südlichen Äquatorgürtel dieses Planeten, die der absteigenden Luft entsprechen und die er absenkt bildet Bänder dunkler, wärmerer Wolken in einer tieferen Schicht der Atmosphäre.

„Jupiters Atmosphäre enthält auf Höhe der von der Erde aus sichtbaren Wolken Ammoniak, Ammoniumhydrogensulfid und Wasser, die die deutlichen roten und weißen Bänder bilden“, sagt Pedro Machado von IA und Ciências ULisboa. „Die oberen Wolken befinden sich in der „Wasserwolken bilden die dichteste, unterste Schicht und haben den stärksten Einfluss auf die Dynamik der Atmosphäre“, ergänzt der Forscher.

Mit ESPRESSO konnte das Team auf Jupiter Windgeschwindigkeiten von 60 bis 428 km/h mit einer Unsicherheit von weniger als 36 km/h messen. Diese Beobachtungen, die mit einem hochauflösenden Instrument auf einen Gasplaneten angewendet wurden, haben ihre Herausforderungen: „Eine der Schwierigkeiten konzentrierte sich auf die ‚Navigation‘ über der Jupiterscheibe, das heißt, genau zu wissen, auf welchen Punkt der Planetenscheibe wir zeigten.“ zur enormen Auflösung des VLT-Teleskops“, erklärt Pedro Machado.

„Bei der Forschung selbst hing die Schwierigkeit mit der Tatsache zusammen, dass wir Winde mit einer Genauigkeit von einigen Metern pro Sekunde bestimmten, während Jupiters Rotation am Äquator in der Größenordnung von zehn Kilometern pro Sekunde liegt, was die Sache noch komplizierter macht.“ Da es sich um einen gasförmigen Planeten und nicht um einen starren Körper handelt, dreht er sich je nach Breitengrad des von uns beobachteten Punktes unterschiedlich schnell“, fügt der Forscher hinzu.

Um die Wirksamkeit der Doppler-Geschwindigkeitsmessung von Teleskopen auf der Erde bei der Messung von Winden auf dem Jupiter zu überprüfen, sammelte das Team auch Messungen aus der Vergangenheit, um die Ergebnisse zu vergleichen. Die meisten der vorhandenen Daten wurden von Instrumenten im Weltraum gesammelt und verwendeten eine andere Methode, die darin besteht, durchschnittliche Windgeschwindigkeitswerte zu ermitteln, indem Wolkenmuster in Bildern verfolgt werden, die zu nahegelegenen Zeiten aufgenommen wurden.

Die Übereinstimmung zwischen dieser Geschichte und den in der nun veröffentlichten Studie gemessenen Werten bestätigt die Machbarkeit der Implementierung der Doppler-Geschwindigkeitsmessung in ein Programm zur Überwachung der Jupiterwinde von der Erde aus.

Die Überwachung wird es dem Forschungsteam ermöglichen, Daten darüber zu sammeln, wie sich Winde im Laufe der Zeit verändern, und wird für die Entwicklung eines zuverlässigen Modells für die globale Zirkulation der Jupiteratmosphäre von entscheidender Bedeutung sein.

Dieses Rechenmodell soll die Unterschiede der Winde je nach Breitengrad und Jupiterstürme reproduzieren, um dabei zu helfen, die Ursachen der atmosphärischen Phänomene, die wir auf diesem Planeten beobachten, zu verstehen. Umgekehrt hilft das Modell bei der Vorbereitung zukünftiger Beobachtungen mit Informationen über den Druck und die Höhe der Wolken im Visier des Teleskops.

Das Team beabsichtigt, die Beobachtungen mit ESPRESSO auf eine größere Abdeckung der Scheibe des Planeten Jupiter auszudehnen und Winddaten über die gesamte Rotationsperiode des Planeten, die fast zehn Stunden beträgt, zeitlich zu sammeln. Durch die Beschränkung der Beobachtungen auf bestimmte Wellenlängenbereiche wird es außerdem möglich, Winde in verschiedenen Höhen zu messen und so Informationen über den vertikalen Transport von Luftschichten zu erhalten.

Sobald die Technik für den größten Planeten im Sonnensystem beherrscht ist, hofft das Team, sie auf die Atmosphären anderer Gasplaneten anzuwenden, wobei Saturn das nächste Ziel ist.

Der Erfolg dieser Beobachtungen mit ESPRESSO erweist sich als wichtig zu einer Zeit, in der sein Nachfolger ANDES für das zukünftige Extremely Large Telescope (ELT) entworfen wird, das ebenfalls von der ESO stammt und derzeit in Chile im Bau ist, aber auch für die zukünftige JUICE-Mission. von der Europäischen Weltraumorganisation, die Jupiter gewidmet ist und zusätzliche Daten liefern wird.