I århundraden har astronomer observerat Jupiter virvlande ytan och blivit förskräckta och mystifierade av dess utseende. Mysteriet förstärktes först när 1995 Galileo rymdskepp nådde Jupiter och började studera sin atmosfär djup. Sedan den tiden har astronomer undrat över sina färgade band och undrat om de bara är ytfenomen eller något som går djupare.
Tack vare Juno rymdskepp, som har kretsat kring Jupiter sedan juli 2016, är forskare nu mycket närmare att besvara den frågan. Den senaste veckan publicerades tre nya studier baserade på Juno data som presenterade nya fynd om Jupiters magnetfält, dess inre rotation och hur djupt dess bälten sträcker sig. Alla dessa fynd reviderar vad forskare tycker om Jupiters atmosfär och dess inre lager.
Studierna fick titeln "Mätning av Jupiters asymmetriska tyngdfält", "Jupiters atmosfäriska jetströmmar sträcker sig tusentals kilometer djup" och "Ett undertryckande av differentiell rotation i Jupiters djupa inre", som alla publicerades i Natur den 7 mars 2018. Studierna leddes av prof. Luciano Iess från Sapienza University of Rome, den andra av prof. Yohai Kaspi och Dr. Eli Galanti från Weizmann Institute of Science och den tredje av professor Tristan Guillot från Observatoire de la Cote d'Azur.
Forskningsinsatsen leddes av professo Kaspi och Dr. Galanti, som förutom att vara ledande författare för den andra studien var medförfattare för de andra två. Paret har förberett sig för denna analys redan tidigare Juno lanserades 2011, under vilken tid de byggde matematiska verktyg för att analysera gravitationsfältdata och få ett bättre grepp om Jupiters atmosfär och dess dynamik.
Alla tre studierna baserades på data som samlats in av Juno när det gick från en av Jupiters pol till den andra var 53: e dag - en manöver känd som en "perijove". Med varje pass använde sonden sin avancerade svit med instrument för att kika under atmosfärens ytskikt. Dessutom mättes radiovågor som släppts ut av sonden för att bestämma hur de skiftades av planetens gravitationsfält med varje bana.
Som astronomer har förstått under en tid flyter Jupiters jetflyg i band från öst till väst och väst till öst. I processen stör de jämna massfördelningen på planeten. Genom att mäta förändringar i planetens tyngdfält (och därmed denna massobalans) kunde Dr. Kaspi och Dr. Galantis analysverktyg beräkna hur djupt stormarna sträcker sig under ytan och hur det är inre dynamik.
Framför allt förväntade teamet sig att hitta avvikelser på grund av hur planeten avviker från att vara en perfekt sfär - vilket beror på hur dess snabba rotation klämmer den något. De letade dock också efter ytterligare avvikelser som kunde förklaras på grund av förekomsten av kraftiga vindar i atmosfären.
I den första studien använde Dr. Iess och hans kollegor exakt Doppler-spårning av Juno rymdskepp för att utföra mätningar av Jupiters tyngdkraftsharmonik - både jämnt och udda. Det de bestämde var Jupiters magnetfält har en nord-syd-asymmetri, vilket indikerar inre flöden i atmosfären.
Analys av denna asymmetri följdes upp i den andra studien, där Dr. Kaspi, Dr. Galanti och deras kollegor använde variationerna i planetens tyngdkraftsfält för att beräkna djupet för Jupiters öst-väst jetströmmar. Genom att mäta hur dessa strålar orsakar en obalans i Jupiters tyngdfält och till och med störa planetens massa, drog de slutsatsen att de sträcker sig till ett djup på 3000 km (1864 mi).
Från allt detta genomförde prof. Guillot och hans kollegor den tredje studien, där de använde de tidigare fynden om planetens gravitationsfält och jetströmmar och jämförde resultaten med förutsägelser om interiörmodeller. Från detta bestämde de sig att planetens inre roterar nästan som en styv kropp och att differentiell rotation minskar längre ner.
Dessutom fann de att zonerna i atmosfäriskt flöde sträckte sig till mellan 2 000 km (1243 mi) och 3 500 km (2175 mi) djup, vilket var i överensstämmelse med de begränsningar som erhölls från udda gravitationsharmoniker. Detta djup motsvarar också den punkt där elektrisk ledningsförmåga skulle bli tillräckligt stor för att magnetisk drag skulle undertrycka differentiell rotation.
Baserat på deras resultat beräknade teamet också att Jupiters atmosfär utgör 1% av dess totala massa. Som jämförelse är jordens atmosfär mindre än en miljondel av dess totala massa. Fortfarande, som Dr. Kaspi förklarade i Weizzmann Institute-pressmeddelande, var detta ganska förvånande:
”Det är mycket mer än någon trodde och mer än vad man har känt från andra planeter i solsystemet. Det är i princip en massa som är lika med tre jordar som rör sig med hastigheter på tiotals meter per sekund. "
Sammantaget har dessa studier kastat nytt ljus på Jupiters atmosfäriska dynamik och inre struktur. För närvarande förblir ämnet för vad som ligger i Jupiters kärna olöst. Men forskarna hoppas kunna analysera ytterligare mätningar gjorda av Juno för att se om Jupiter har en solid kärna och (i så fall) att bestämma dess massa. Detta i sin tur kommer att hjälpa astronomer att lära sig mycket om solsystemets historia och bildning.
Dessutom vill Kaspi och Galanti använda några av samma metoder som de utvecklade för att karakterisera Jupiters jetströmmar för att hantera dess mest ikoniska funktion - Jupiters Great Red Spot. Förutom att bestämma hur djupt denna storm sträcker sig, hoppas de också kunna lära sig varför denna storm har kvarstått i så många århundraden, och varför den har märkbart krympt de senaste åren.
Juno-uppdraget förväntas avslutas i juli 2018. Genom att utesluta eventuella förlängningar kommer sonden att genomföra en kontrollerad deorbit i Jupiters atmosfär efter att ha genomfört perijove 14. Men även efter uppdraget är över kommer forskare att analysera de uppgifter den har samlat in i flera år framöver. Vad detta avslöjar om solsystemets största planet kommer också att gå långt för att informera om förståelsen för solsystemet.
