Esquema de la rutina de observación de Júpiter realizada por VLT/ESPRESSO el 22 de julio de 2019. Los círculos pequeños representan el FOV de la fibra proporcional al tamaño del disco de Júpiter en el contexto de estas observaciones (0,5 segundos de arco de diámetro para el tamaño del FOV ) y sus respectivas etiquetas. También incluimos una cuadrícula para mapear tentativamente la posición relativa de cada posición de observación en latitud y longitud. Las líneas de cuadrícula tienen intervalos de 15∘ en ambas coordenadas. La línea negra sólida en el lado derecho de la cuadrícula esférica representa el terminador de la mañana, mientras que la línea de puntos azul marca la ubicación del meridiano de las 12 en punto, hora local. La imagen del disco del planeta fue tomada desde el Laboratorio y Observatorio Planetario Virtual. Los créditos de las imágenes son para Gary Walker.
Por primera vez se utilizó en un objeto del Sistema Solar un instrumento para encontrar planetas a años luz de distancia, en un estudio de los vientos de Júpiter.
Nos encontramos en un momento en el que se ha vuelto casi común descubrir planetas orbitando otra estrella, habiéndose registrado ya más de 5.000. Los primeros mundos distantes que incorporaron esta lista fueron principalmente planetas gigantes, similares a Júpiter y Saturno, pero también muy diferentes en muchos aspectos.
Los astrofísicos ya han comenzado a obtener datos sobre las atmósferas de los exoplanetas, pero aún no se han respondido preguntas fundamentales sobre la atmósfera del planeta más grande del Sistema Solar. Para comprender lo que sucede en las nubes y capas de aire de Júpiter, es necesario estudiarlo a lo largo del tiempo, en observaciones continuas. Ahora, por primera vez, un instrumento desarrollado para encontrar y analizar mundos a años luz de distancia, exoplanetas, ha apuntado a un objetivo en el Sistema Solar, a 43 minutos luz de la Tierra: el planeta Júpiter.
Investigadores del Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales (IA) de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Lisboa (Portugal) (Ciências ULisboa), utilizaron el espectrógrafo ESPRESSO instalado en el telescopio VLT del Observatorio Europeo Austral (ESO) para medir la velocidad del viento en Júpiter. Los resultados se publican ahora en la revista científica Universe.
El método desarrollado por el equipo se llama velocimetría Doppler y se basa en el reflejo de la luz visible del Sol por las nubes en la atmósfera del planeta objetivo. Esta luz reflejada se desvía en una longitud de onda proporcional a la velocidad a la que se mueven las nubes en relación con el telescopio de la Tierra. Esto da la velocidad instantánea del viento en el punto observado.
Consola de control del espectrógrafo ESPRESSO, durante la observación de Júpiter con uno de los telescopios del VLT, en el Observatorio Paranal, en Chile. CRÉDITO Pedro Machado.
El método que se utiliza ahora con ESPRESSO fue desarrollado por el grupo de investigación IA Planetary Systems, junto con otros espectrógrafos, para estudiar la atmósfera de Venus. Los investigadores llevan varios años midiendo los vientos de este planeta vecino y contribuyendo a modelar su atmósfera general. Ahora, la aplicación exploratoria de este método con un instrumento “de última generación” como ESPRESSO ha resultado un éxito que abre nuevos horizontes al conocimiento de nuestro vecindario cósmico. Este trabajo afirma la viabilidad de monitorear sistemáticamente las atmósferas más distantes de los planetas gaseosos.
En julio de 2019, durante cinco horas, el equipo apuntó con el telescopio VLT a la zona ecuatorial de Júpiter, donde se encuentran las nubes ligeras a mayor altitud, y a los cinturones ecuatoriales norte y sur de este planeta, que corresponden al aire descendente y que forma bandas de nubes oscuras y más cálidas en una capa más profunda de la atmósfera.
“La atmósfera de Júpiter, al nivel de las nubes visibles desde la Tierra, contiene amoníaco, hidrosulfuro de amonio y agua, que forman bandas rojas y blancas distintas”, dice Pedro Machado, de IA e Ciências ULisboa, “Las nubes superiores, situadas en presión zona de 0,6 a 0,9 bar, están hechos de hielo de amoníaco. Las nubes de agua forman la capa más densa y más baja y tienen la mayor influencia en la dinámica de la atmósfera”, añade el investigador.
Con ESPRESSO, el equipo pudo medir vientos en Júpiter de 60 a 428 km/h con una incertidumbre de menos de 36 km/h. Estas observaciones, aplicadas con un instrumento de alta resolución a un planeta gaseoso, tienen sus desafíos: “Una de las dificultades se centró en 'navegar' sobre el disco de Júpiter, es decir, saber exactamente en qué parte del disco del planeta estábamos. debido a la enorme resolución del telescopio VLT”, explica Pedro Machado.
Imagen de Júpiter obtenida por la nave espacial Juno de la NASA en mayo de 2019, donde se ven zonas de tormentas en el hemisferio norte del planeta. CRÉDITO Imagen mejorada por Kevin M. Gill (CC-BY) basada en imágenes proporcionadas por cortesía de NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS.
“En la propia investigación, la dificultad estaba relacionada con el hecho de que estábamos determinando los vientos con una precisión de unos pocos metros por segundo cuando la rotación de Júpiter es del orden de diez kilómetros por segundo en el ecuador y, para complicar las cosas, porque Es un planeta gaseoso, y no un cuerpo rígido, gira a diferentes velocidades dependiendo de la latitud del punto que observemos”, añade el investigador.
Para verificar la eficacia de la velocimetría Doppler de los telescopios terrestres a la hora de medir los vientos en Júpiter, el equipo también reunió mediciones tomadas en el pasado para comparar los resultados. La mayoría de los datos existentes fueron recopilados por instrumentos en el espacio y utilizaron un método diferente, que consiste en obtener valores medios de la velocidad del viento siguiendo patrones de nubes en imágenes capturadas en momentos cercanos.
La coherencia entre esta historia y los valores medidos en el estudio ahora publicado confirma la viabilidad de implementar la velocimetría Doppler en un programa para monitorear los vientos de Júpiter desde la Tierra.
El seguimiento permitirá al equipo de investigación recopilar datos sobre cómo cambian los vientos con el tiempo y será esencial para desarrollar un modelo fiable para la circulación global de la atmósfera de Júpiter. Este modelo computacional debería reproducir las diferencias de vientos según la latitud, así como las tormentas de Júpiter, para ayudar a comprender las causas de los fenómenos atmosféricos que observamos en este planeta. Por otro lado, el modelo ayudará a preparar futuras observaciones con información sobre la presión y altitud de las nubes en la mira del telescopio.
El equipo pretende ampliar las observaciones con ESPRESSO a una mayor cobertura del disco del planeta Júpiter, así como temporalmente, recopilando datos del viento durante todo el período de rotación del planeta, que es de casi 10 horas. Restringir las observaciones a determinados rangos de longitud de onda también permitirá medir los vientos a diferentes altitudes, obteniendo así información sobre el transporte vertical de las capas de aire.
Una vez que se domine la técnica para el planeta más grande del Sistema Solar, el equipo espera aplicarla a las atmósferas de otros planetas gaseosos, con Saturno como próximo objetivo. El éxito de estas observaciones con ESPRESSO resulta importante en un momento en que su sucesor, ANDES, está siendo diseñado para el futuro Extremely Large Telescope (ELT), también en ESO y actualmente en construcción en Chile, pero también para la futura misión JUICE. , de la Agencia Espacial Europea, dedicado a Júpiter y que aportará datos adicionales.
Dinámica de la atmósfera de Júpiter basada en espectroscopía de alta resolución con VLT/ESPRESSO (acceso libre)
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