Modelowanie atmosfery Galileuszowych księżyców Jowisza dowodzi, że sonda Galileo wykryła smugę wody na Europie
Dwa z Galileuszowych księżyców Jowisza – Io i Europa – są zanurzone w rozległej magnetosferze swojej planety. Przestrzeń tę wypełnia wirująca, namagnetyzowana plazma, czyli zjonizowany gaz mający właściwości przewodzące. Gaz ten oddziałuje z atmosferami księżyców, wywołując w nich zjawisko zorzy polarnej, które zostało zaobserwowane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Zmiany jasności i morfologii zórz pozostają w ścisłym związku ze zmieniającym się środowiskiem, w jakim przebywają księżyce, czyli ze zmianami w plazmie. Przykładem mogą być oscylacyjne zmiany jasnych plam obserwowanych w pobliżu równika Io, których okres zależy od zmian pola magnetosfery Jowisza. Zorza obserwowana na Europie jest nieznaczna w obszarze równika i miejscami jasna w okolicy północnego i południowego bieguna księżyca. Z kolei oddziaływanie plazmy z Io sprzęga elektromagnetycznie ten księżyc z Jowiszem siecią niewidzialnych prądów elektrycznych naładowanych cząstek, które wywołują „śladowe” zorze na południowej i północnej półkuli Jowisza. Ich jasność zmienia się w zależności od miejscowych oddziaływań Io z plazmą w magnetosferze. Projekt AuroraMHD, wspierany w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, pozwolił opracować komputerowy model umożliwiający badanie oddziaływań między księżycami a poruszającą się namagnetyzowaną plazmą. „Porównanie otrzymanych w symulacjach wyników z faktycznymi pomiarami plazmy zwiększyło naszą wiedzę na temat wnętrza i atmosfer tych księżyców i chyba udało się nam zidentyfikować smugę wody, którą wykryła sonda Galileo”, mówi Aljona Blöcker, stypendystka działania, pracująca na Królewskim Instytucie Technologicznym KTH w Sztokholmie.
Modelowanie oddziaływań w plazmie
W ramach projektu AuroraMHD przeprowadzono modelowanie różnych zjawisk fizycznych zachodzących podczas oddziaływań księżyców z plazmą, takich jak zderzenia między cząsteczkami atmosfer księżyców z cząsteczkami magnetosfery Jowisza. Ponieważ zjawiska te zmieniają się w czasie, symulacje przeprowadzono dla różnych konfiguracji. Dzięki współpracy z ESTEC-ESA wyniki porównano z pomiarami przeprowadzanymi przez sondę kosmiczną Galileo wystrzeloną przez NASA. Dane dotyczące pól elektromagnetycznych w plazmowym środowisku Europy uzyskane w każdej z symulacji zostały następnie wykorzystane jako dane wejściowe w dalszych symulacjach dotyczących opisu strumienia wysokoenergetycznych protonów. Cząsteczki wody mogą zmieniać środowisko panujące w atmosferze oraz wpływać na tor ruchu wysokoenergetycznych cząstek. Ponieważ zgodnie z obowiązującą hipotezą pod skorupą Europy ma znajdować się ocean, ruch protonów symulowano dla różnych warunków atmosferycznych na tym księżycu z uwzględnieniem smugi wody. Wyniki te porównano następnie z pomiarami wysokoenergetycznych cząstek wykonanymi przez sondę kosmiczną Galileo. Blöcker dodaje: „Bardzo nas ucieszyło, gdy okazało się, że uwzględnienie smugi w symulacjach prowadzi do podobnego zubożenia energii protonów, jakie zarejestrowano podczas przelotu Galileo. Ponieważ nie mamy możliwości prowadzenia bezpośredniej obserwacji smug wody, takie wskazówki mają dla nas ogromne znaczenie. Jak dotąd nie badano jeszcze zubażania energii wysokoenergetycznych protonów w zależności od różnych warunków atmosferycznych panujących na Europie”. Zespół przeprowadził też modelowanie oddziaływań plazmy z Io, chcąc w ten sposób określić, jak zmiany w plazmowym środowisku Io i jego atmosferze mogą wpływać na strumień cząstek wypromieniowywanych z księżyca, odpowiedzialnych za pozostawianie zórz śladowych. Blöcker wyjaśnia: „Powiązaliśmy zmiany w gęstości atmosfery i plazmy oraz te zachodzące w polu magnetycznym ze zmianami w jasności śladu Io obserwowanego przez sondę kosmiczną Juno wystrzeloną przez NASA”.
Pomoc dla przyszłych misji
Io jest najbardziej czynnym wulkanicznie ciałem Układu Słonecznego – do wybuchów wulkanów i wypływów lawy dochodzi na całej jego powierzchni. Księżyc ma cienką atmosferę z dwutlenku siarki i przypuszczalnie cały ocean magmy na swojej powierzchni. Atmosfera Europy zawiera nieco tlenu, a jej powierzchnię skuwa lód – jest to najgładsze ciało niebieskie Układu Słonecznego. Pod tą lodową skorupą pływa słony ocean, a naukowcy podejrzewają, że mogą się w nim znajdować główne składniki niezbędne do podtrzymania życia. Wyniki osiągnięte w ramach projektu AuroraMHD będą niezmiernie przydatne podczas planowania przyszłych misji sond obserwacyjnych, jak choćby organizowanej przez ESA misji JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) czy prowadzonej przez NASA misji Europa Clipper.
Słowa kluczowe
AuroraMHD, plazma, Europa, Jowisz, Io, smuga, woda, Galileo, zorza, atmosfera, księżyc, proton
