Dekametrowe emisje radiowe z Jowisza

Artykuł poniższy, ciekawy jest o tyle, choć znajduje się na oficjalnej stronie NASA, to mowa w nim wprost o prądach elektrycznych (i to silnych) pomiędzy Jowiszem a Io (a w bibliografii pada nawet nazwisko Alfvéna). Na stronie holoscience zasugerowano też, że przyczyna emisji radiowych z Jowisza może rzucić światło na prawdziwą naturę pulsarów.

Jak naukowcy poznają Jowisza poprzez obserwacje jego emisji radiowych.

- Leonard N. Garcia

Okres obrotu Jowisza

Po przypadkowym odkryciu impulsów z Jowisza, naukowcy zaczęli szukać przyczyny owych emisji. Zaczęli od uważnych obserwacji, zapisując pory emisji oraz intensywność dekametrycznych emisji (słowo "dekametryczne" oznacza w dziesiątkach metrów, bo długość fal emitowanych podczas impulsów ma kilkadziesiąt metrów). Po zebraniu tych danych radiowych, porównano je z innymi informacjami, jakie mamy o Jowiszu. Jednym z pierwszych było porównanie impulsów radiowych z czasem obrotu planety. Jedynym sposobem, żeby stwierdzić, którą stroną jest do nas zwrócona w danym momencie, jest znać jej prędkość obrotów. Z początku, astronomowie mogli określać ją tylko na podstawie wzoru chmur, nie ma bowiem żadnych elementów powierzchni, które można by śledzić. Z tych informacji wynikało, że Jowisz obraca się co najmniej w 10 godzin, ponad dwukrotnie szybciej, niż Ziemia.

Obserwatorzy stwierdzili, że to, czy słyszą Jowisza, czy też nie, nie jest zależne od tego, którą stroną jest do nas zwrócony. Zależą one od jego długości geograficznej. Oznacza to, że istnieją długości, na których jest znacznie pewniejsze usłyszenie Jowisza, niż na innych. Owe długości są jak punkty orientacyjne planety pozbawionej widocznej powierzchni. Owe znaki orientacyjne oznaczają, że Jowisz nie wysyła fal radiowych we wszystkich kierunkach, lecz raczej ich wiązkę.

Astronomowie kontynuowali dokładne obserwacje, zbierając dane. Z większą ich ilością mogli zobaczyć subtelne zmiany w lokalizacji źródła radiowego na Jowiszu. Emisje zaczęły wolno dryfować. Oznaczało to, że albo ich źródło wolno się przesuwa, albo albo naukowcy błędnie ustalili prędkość obrotów planety. Sposób, w jaki zachodził dryf doprowadził do konkluzji, że ich ustalenia co do prędkości obrotów Jowisza wymagają poprawek. Użyto do tego celu mnóstwa danych z wielu lat. Najpewniejsze ustalenia dotyczące prędkości obrotowej Jowisza są dzisiaj oparte na obserwacjach radiowych.

Pole magnetyczne Jowisza

Kolejną rzeczą, jaką zauważyli astronomowie, był brak korelacji znaków orientacyjnych z kształtami chmur. Nawet Wielka Czerwona Plama zdawała się przenikać przez źródło emisji radiowych. Emisje zdawały się posiadać unikatowy okres obrotu, który pozostawał stały - ani nie zwalniał, ani nie przyspieszał.

Inne charakterystyki emisji radiowych powiedziały nam więcej o Jowiszu. Fale radiowe, podobnie jak świetlne, mogą być spolaryzowane lub niespolaryzowane. Możemy przedstawić fale świetlne i radiowe jako zmarszczki płynące przez przestrzeń. Kiedy mówimy o świetle spolaryzowanym, mówimy o zmarszczkach podążających przez przestrzeń, które w większości mają konkretny sposób falowania. Mogą one przemieszczać się w dół i w górę, jak zmarszczki na powierzchni wody, lub na boki jak wąż przechodzący przez drogę. Fale świetlne mogą nawet przemieszczać się jak obracająca się śruba. Gdy światło jest niespolaryzowane, wszystkie fale zdają się przemieszczać losowo, jakby przemieszczały się na wszystkie sposoby na raz.

Większość fal radiowych z Jowisza jest spolaryzowana. To odkrycie mówi nam coś o ich przyczynie, o warunkach panujących u źródła, a nawet tych panujących w przestrzeni pomiędzy Jowiszem a Ziemią. Fale spolaryzowane oznaczają, że skądkolwiek by nie przybywały, jest tam pole magnetyczne. Była to jedna z pierwszych przesłanek, że Jowisz ma pole magnetyczne.

Wiedząc, że Jowisz ma pole magnetyczne, oraz że punkty orientacyjne pojawiają się w regularnych odstępach czasu, widzimy, że coś obraca się z taką samą prędkością, co wewnętrzna część Jowisza, gdzie powstaje pole magnetyczne.

Dekametryczne źródło radiowe

Gdy naładowane cząstki, takie jak elektrony i protony, przelatują przez pole magnetyczne, ich tory ulegną zmianie. Cząstki te są przyspieszane [dośrodkowo], i zaczynają podążać po spirali wzdłuż linii pola magnetycznego, ku biegunowi północnemu lub południowemu. Przyspieszane cząstki emitują promieniowanie, którego moc zależna jest od energii cząstek. W przypadku cząstek w polu magnetycznym Jowisza, energia ta starcza do emisji fal radiowych. Im większa jest ich częstotliwość, tym silniejsze jest pole magnetyczne. Ten rodzaj promieniowania nazywany jest cyklotronowym, od nazwy akceleratora cząstek. Uważa się, że to elektrony spiralujące w polu magnetycznym Jowisza są odpowiedzialne za hałas radiowy, jaki słyszymy.

Dekametrowy fale radiowe mają częstotliwość pomiędzy 10 a 40 MHz. Ten typ promieniowania nigdy nie przekroczył na Jowiszu 40 MHz. Zdaje się to być górnym limitem. Przy naszej wiedzy o pochodzeniu fal radiowych oraz wiedząc, że częstotliwość fal zależy od pola magnetycznego, możemy określić maksymalne natężenie pola magnetycznego Jowisza.

Jowisz oraz Io

Dowiedzieliśmy się bardzo dużo o Jowiszu, słuchając jego fal radiowych. Ale czy ustawienie Jowisza jest jedyną rzeczą, która wpływa na jego emisje radiowe? Wiemy, że Jowisz ma wiele księżyców. Czy mogą one wpływać na emisje? Okazało się, że Io, jeden z największych księżyców Jowisza, ma wielki wpływ na to, czy słyszymy jakiekolwiek emisje radiowe z Jowisza.

Io jest duży, mniej więcej jak nasz Księżyc, lecz jest ciągle malutki w porównaniu ogromnym Jowiszem. Io jest szczególny, ponieważ jest najaktywniejszym wulkanicznie ciałem w Układzie Słonecznym. Io jest ciągle poddawany grawitacyjnym siłom pływowym Jowisza oraz innych satelitów. Owe wpływu powodują, że Io jest płynny i jego powierzchnia ciągle wybucha. Każdej sekundy wyrzucane są tony materiałów, głównie związków siarki. Część tych materiałów ucieka z Io i odlatuje w przestrzeń. W przestrzeni kosmicznej molekuły szybko tracą swoje elektrony i staja się zjonizowane, będąc natychmiast więzione przez pole magnetyczne Jowisza. Owe jony tworzą rozległy pierścień wokół Jowisza, zwany torusem Io.

Z lewej Zdjęcie zrobione przez jeden z Voyagerów, ukazujące Io (tuż nad Wielką Czerwoną Plamą) oraz Europę na tle Jowisza. [NASA JPL] Z prawej Inne zdjęcie z Voyagera, pokazujące Io i erupcję wulkaniczną. Wulkan nosi imię Loki, po jednym z bogów w norweskiej mitologii. [NASA JPL]

Naukowcy zauważyli, że Io wzmacnia emisje dekametrowych fal radiowych. Ponieważ obiega on Jowisza, istnieją tylko konkretne pozycje, w których nasze szanse usłyszenia emisji są znacznie większe. Pole magnetyczne Jowisza przechodzi drastycznie przez orbitującego Io. Kiedy przewodniki, takie jak metale, poruszają się w polu magnetycznym, powstaje w nich prąd. W taki właśnie sposób wytwarzają prąd elektronie na Ziemi. Wiemy już, że pole magnetyczne Jowisza więzi elektrony, a Io, ze swoją przewodzącą atmosferą, przemieszcza się przez to pole, przez co pomiędzy Jowiszem a Io generuje się potężny prąd elektryczny. Prąd ten może "energetyzować" emisje fal dekametrowych.

Obraz ten jest obecnie bardziej skomplikowany. Wygląda na to, że Io nie tworzy z Jowiszem zwykłego obwodu elektrycznego, ale w jakiś sposób zaburza jego pole elektryczne, które ciągnie się za księżycem. Turbulencja ta trwa jakiś czas po przejściu Io. Przenosi ona prąd.

Orbitalna pozycja Io może być określona przez tak zwaną fazę Io. Faza ta wynosi 0, gdy księżyc "widziany" z Ziemi jest dokładnie za Jowiszem. W miarę orbitowania faza rośnie, by osiągnąć wartość 180, gdy Io paraduje dokładnie przed Jowiszem. "Znaki orientacyjne", lub źródła z początku odnoszące się do nich, mają zarówno komponenty związane, jak i niezwiązane z Io. Komponenty niezależne mają szansę być zaobserwowane niezależnie od tego, gdzie znajduje się Io. Źródła związane z Io mają większą szanse detekcji. Zostały one otagowane jako A, B i C, według prawdopodobieństwa ich obserwacji. Źródłami związanymi z Io są Io-A, Io-B oraz Io-C. Często występują one na wykresie CML względem fazy Io. CML oznacza Centralną Długość Południkową, i jest zdefiniowana jako długość geograficzna Jowisza, zwrócona ku nam w określonym czasie. Kiedy naniesiemy na wykres, jak często emisje radiowe Jowisza na danym CML względem fazy Io, obserwujemy, jak nasze dane grupują się w wąskie pasy i odrębne regiony. Pokazuje to, że wzajemne ułożenie Jowisza i fazy Io gra ważną rolę w wykrywaniu emisji fal dekametrowych.

Z lewej: Prawdopodobieństwo wykrycia radiowych znaków orientacyjnych lub źródłem A, B i C, ułożone w wykres względem CML. Największe prawdopodobieństwo wykrycia posiada źródło A. [Garcia, 1996] Z prawej: Wykres prawdopodobieństwa względem fazy Io oraz CML pokazuje źródła powiązane i niepowiązane z Io. Pionowe paski odpowiadają non-Io A oraz non Io-C. [Garcia, 1996].

Pytania, na które naukowcy wciąż szukają odpowiedzi

• Jak gęsty jest torus Io wokół Jowisza? Jak jest rozłożony, jak zmienia się w czasie, oraz w zależności od aktywności wulkanicznej Io?
• Co ze Słońcem? Jaki ono ma wpływ na emisje na Jowiszu?
• Jowisz posiada również inne księżyce. Czy którykolwiek z nich również wpływa na emisje radiowe?
• Jowisz kieruje emisje radiowe w konkretnych kierunkach. Jak szerokie są to wiązki? Jakiego kształtu? Czy zawsze takiego samego?
• Skąd dokładnie pochodzi emisja radiowa? Czy są to osobne źródła dla emisji związanych i niezwiązanych z Io?

Inne źródła wiedzy o Jowiszu

Dowiedzieliśmy się więcej o Jowiszu i jego polu magnetycznym, wysyłając tam sondy. Pojazdy Pioneer 10 & 11, oraz Voyager 1 & 2, mijały Jowisza w latach 70-tych i 80-tych, i przez krótki okres pobytu tam, pozwoliły naukowcom rozwinąć bardziej szczegółowe modele jego pola magnetycznego. Sonda Galileo okrąża Jowisza od wielu lat, dostarczając wielu nowych danych o nim samym, jak i o jego księżycach. Naukowcy będą je jeszcze studiować latami.

Jowisz emituje fale radiowe w innym przedziale częstotliwości, powyżej 100MHz. Są to decymetryczne fale radiowe, o których uważa się, że powstają dzięki niezwykle energetycznym elektronom, poruszającym się z prędkościami przyświetlnymi blisko powierzchni planety w okolicy równika. (...) Okres rotacji Jowisza, podobnie jak inne własności pola magnetycznego, w tym nachylenie osi, potwierdzone zostały właśnie obserwacjami fal decymetrowych.

W ostatnich czasach wykorzystano Kosmiczny Teleskop Hubble'a do obserwacji jowiszowej aurory (w ultrafiolecie), oraz przy jego pomocy odkryto potężne prądy elektryczne pomiędzy Jowiszem a Io.

Pojazdy te potwierdzają niektóre wyjaśnienia emisji radiowych z Jowisza, ale odkrywają również inne zjawiska radiowe, które powodują powstawanie dalszych pytań.

Gdzie poczytać więcej (po angielsku)

Zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a - zobacz jowiszową zorzę, oraz smugi prądów pomiędzy Jowiszem a Io [przez STScl].

Goldstone-Apple Valley Radio Telescope (GAVRT) - zobacz obserwatorium, w którym dokonuje się obserwacji fal decymentrycznych Jowisza.

Polaryzacja - naucz się więcej o tej właściwości światła.

Jowisz oraz Io - więcej informacji o Jowiszu oraz Io ze strony NASA.

Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 oraz Galileo - naucz się więcej o tych pojazdach.

Bibliografia

Belcher, J.W., The Jupiter-Io Connection: An Alfven Engine in Space, Science, vol. 238, pp 170-176, 1987.

Carr, T.D., M.D. Desch, and J. K. Alexander, Phenomenology of magnetospheric radio emissions, in Physics of the Jovian Magnetosphere, edited by A.J. Dessler, Chapter 7, pp. 226-284, Cambridge University Press, New York, 1983.

Link do oryginału: http://radiojove.gsfc.nasa.gov/library/sci_briefs/decametric.htm