El origen de las auroras en Júpiter

Cuarenta años después del descubrimiento de las auroras en el gigante de gas, un grupo internacional de científicos encontró que este fenómeno puede ser causado por ondas electromagnéticas a gran escala que gobiernan la producción de iones de azufre y oxígeno sobre los polos de Júpiter.

Hace poco les platicaba en este espacio de un trabajo científico reciente que mostró que la producción de las auroras en la Tierra se debe a la aceleración de partículas cargadas provenientes del Sol, mediante un proceso llamado amortiguamiento de Landau, que ocurre en nuestra magnetosfera. El fenómeno se puede entender si imaginamos a los electrones “surfeando” eficientemente en el campo eléctrico de las ondas de Alfven terrestres, ganando velocidad y energía. Cuando estos electrones llegan a la atmósfera chocan e ionizan las moléculas de aire y las hacen brillar con los característicos colores de las auroras.

Bueno, pues desde hace 40 años, sabemos que este fenómeno también se repite en Júpiter, también allá son impresionantes y hermosas y también se producen en sus polos. Las auroras de Júpiter fueron descubiertas por la nave espacial Voyager 1 en 1979. Pero a diferencia de las que ocurren en la Tierra, las auroras de Júpiter son tremendamente energéticas. Por ejemplo, tienen mucha más energía (aproximadamente un millón de megavatios) que las auroras terrestres (aproximadamente 1000 megavatios). A modo de comparación, una ciudad grande usa alrededor de 10,000 megavatios.

De hecho, en la década de 1990, las cámaras ultravioleta del Telescopio Espacial Hubble fotografiaron auroras joviana miles de veces más intensas que cualquier cosa jamás vista en la Tierra, pero además diversos observatorios de rayos X detectaron esas estructuras allá, confirmando su potencial energético.

Sin embargo, sin mediciones simultáneas de la magnetosfera de Júpiter y estas emisiones aurorales, los científicos no estaban seguros de los mecanismos que impulsan el fenómeno en la atmósfera del gigante gaseoso.

Parecidos, pero no iguales

Como ya lo dijimos, en la Tierra, las auroras tienen su origen en las tormentas solares, cuando una nube de gas de cientos de millones de toneladas viaja en nuestra dirección y, unos días después, nos golpea. Las partículas cargadas son aceleradas por las líneas de campo magnético y llueven sobre la atmósfera superior, haciendo que el aire brille en rojo, verde y violeta.

Pero en Júpiter, esto no ocurre exactamente así.

Allá, el proceso comienza con el giro de Júpiter: el planeta gigante rota sobre su eje una vez cada 10 horas y arrastra su campo magnético consigo. Como muchos de ustedes saben, hacer girar un imán es una excelente manera de generar unos pocos voltios. Por lo menos los ciclistas saben eso con los dinamos que alimentan alguna linterna. Bien, pues el giro de Júpiter produce unos 10 millones de voltios alrededor de sus polos; esas regiones literalmente están nadando en electricidad.

En Júpiter, los campos eléctricos polares capturan cualquier partícula cargada que se acerque y la mandan a la atmósfera. Las partículas pueden provenir del Sol, pero el gigante tiene otra fuente cercana más abundante: los materiales arrojados por sus lunas, como Io, producto de actividad volcánica, que lanza iones de oxígeno y azufre (O+ y S+) en el campo magnético giratorio de Júpiter.

Hasta donde sabemos, los iones de los materiales volcánicos llegan a los polos de Júpiter, donde los campos eléctricos los mueven a toda velocidad hacia el planeta. Al entrar en la atmósfera, sus electrones son eliminados por moléculas que se encuentran a su paso, pero a medida que disminuyen la velocidad, comienzan a recuperar los electrones, esto produce intensas auroras de rayos X.

Pero lo realmente interesante y misterioso es que Júpiter presenta pulsos de rayos X dentro de las auroras, que a veces son detectados por los telescopios espaciales y luego desaparecen. Cuando el efecto está encendido, los «latidos» emiten ráfagas de rayos X de gigavatios con un ritmo regular de docenas de minutos.

Desnudando a Júpiter

Para explorar cómo las condiciones en la magnetosfera de Júpiter generan este tipo de auroras, un grupo internacional de científicos encabezados por Zhonghua Yao, del Instituto de Geología y Geofísica de la Academia China de Ciencias, analizó mediciones simultáneas de auroras observadas el 16 y 17 de julio de 2017 por la sonda espacial Juno y datos de imágenes espectroscópicas del telescopio espacial XMM-Newton.

Recordemos que Juno fue lanzada en agosto de 2011, llegó al territorio del gigante en julio de 2016 y que cuenta con diversos instrumentos encaminados a estudiar la magnetosfera, la composición química y el interior de Júpiter. La órbita de Juno lo acerca al planeta cada 53 días. Durante esos pasos cercanos, la sonda puede viajar a velocidades máximas de 55 kilómetros por segundo, o 198,000 km/h. Como resultado, los instrumentos pueden recopilar datos sobre las auroras durante solo unos segundos. Así, ambos instrumentos, Juno y XMM-Newton fueron programados para obtener datos simultáneamente.

Según sus análisis, los científicos sugieren que las compresiones pulsantes del campo magnético en la magnetosfera exterior de Júpiter eventualmente impulsan iones energéticos de azufre y oxígeno que los hacen moverse en espiral a lo largo de estos campos hacia los polos, produciendo los pulsos de rayos X de las auroras de Júpiter.

Los hallazgos indican que las llamadas ondas electromagnéticas iónicas ciclotrónicas (EMIC), que también producen auroras en la Tierra, pueden impulsar la dinámica iónica en la magnetosfera interior, media y superior de Júpiter. Dicho de otra manera, estas ondas periódicamente ocasionan que iones pesados, como O+ y S+, precipiten y produzcan las pulsaciones en rayos X de Júpiter. La correlación entre las ondas en el plasma detectadas por Juno y las erupciones aurorales de rayos X en el polo norte de Júpiter registradas por X-MM Newton parece ser clara. Finalmente, los científicos utilizaron modelos computacionales para confirmar que las ondas conducen las moléculas pesadas hacia la atmósfera de Júpiter.

A pesar del éxito de las observaciones simultáneas, no está claro por qué las líneas del campo magnético vibran periódicamente, aunque podría deberse a interacciones con el viento solar o de flujos de plasma de alta velocidad dentro de la magnetosfera de Júpiter.

El campo magnético de Júpiter es extremadamente fuerte, unas 20,000 veces más fuerte que el de la Tierra, y por lo tanto su magnetosfera, el área controlada por este campo magnético, es enorme. Si fuera visible en el cielo nocturno, cubriría una región de varias veces el tamaño de la luna llena.

Nuestros hallazgos, comentan en el artículo los científicos, muestran que las auroras comparten mecanismos comunes en todos los sistemas planetarios, a pesar de que las escalas temporales, espaciales y energéticas varían en órdenes de magnitud.

Este trabajo aparece publicado en la revista Science Advances bajo el título «Revealing the source of Jupiter’s x-ray auroral flares«, por Z. Yao et al.