تتضافر التلسكوبات والمركبة الفضائية للتحقيق العميق في جو المشتري

تعاون تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا ومرصد الجوزاء الأرضي في هاواي مع المركبة الفضائية جونو لاستكشاف أعظم العواصف في النظام الشمسي ، حيث تقع على بعد أكثر من 500 مليون ميل على كوكب المشتري العملاق.

يقوم فريق من الباحثين بقيادة مايكل وونغ في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، ومن بينهم إيمي سيمون من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند وإيمكي دي باتر أيضًا من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، بدمج الملاحظات متعددة الأطوال من هابل وجوزيني مع مشاهد مذهلة من مدار جونو حول كوكب الوحش ، واكتساب رؤى جديدة حول الطقس المضطرب في هذا العالم البعيد.

قال وونغ "نريد أن نعرف كيف يعمل جو المشتري". هذا هو المكان الذي يبدأ فيه العمل الجماعي لجونو وهابل وجوزيني.

راديو "عرض ضوئي"

العواصف المستمرة لكوكب المشتري هائلة مقارنة بالعواصف على الأرض ، حيث تصل الرعد الرعدية إلى 40 ميلًا من القاعدة إلى الأعلى - أطول بخمس مرات من الرعد الرعدية المعتادة على الأرض - وتومض البرق القوية حتى ثلاث مرات أكثر نشاطًا من أكبر "superbolts" في الأرض.

مثل البرق على الأرض ، تعمل مسامير البرق للمشتري مثل أجهزة الإرسال الراديوي ، وترسل موجات الراديو بالإضافة إلى الضوء المرئي عندما تومض عبر السماء.

كل 53 يومًا ، يركض جونو على ارتفاع منخفض فوق أنظمة العاصفة التي تكتشف إشارات الراديو المعروفة باسم "sferics" و "whistlers" ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لرسم خريطة البرق حتى على جانب النهار من الكوكب أو من السحب العميقة حيث لا تكون الومضات مرئية بطريقة أخرى .

بالتزامن مع كل تمريرة ، تشاهد هابل وجوزيني من بعيد ، تلتقط مناظر عالمية عالية الدقة للكوكب والتي تعد أساسية لتفسير ملاحظات جونو عن قرب. "يقيس مقياس الإشعاع بالميكروويف من جونو عمق الغلاف الجوي للكوكب من خلال الكشف عن موجات الراديو عالية التردد التي يمكن أن تخترق طبقات الغيوم الكثيفة. يمكن أن تخبرنا البيانات من هابل وجوزيني عن مدى سمك الغيوم ومدى عمق الرؤية في الغيوم ، وأوضح سيمون.

من خلال رسم خرائط ومضات البرق التي اكتشفها جونو على الصور الضوئية التي تم التقاطها للكوكب بواسطة هابل وصور الأشعة تحت الحمراء الحرارية التي تم التقاطها في نفس الوقت بواسطة Gemini ، تمكن فريق البحث من إظهار أن تفشي البرق مرتبط بمجموعة ثلاثية من الهياكل السحابية : السحب العميقة المصنوعة من الماء ، وأبراج الحمل الحراري الكبيرة الناتجة عن ارتطام الهواء الرطب - بشكل أساسي الرؤوس الرعوية في جوفيان - والمناطق الصافية التي يفترض أنها ناجمة عن هبوب الهواء الأكثر جفافا خارج الأبراج الحملية.

تظهر بيانات هابل ارتفاع الغيوم الكثيفة في الأبراج الحملية ، وكذلك عمق السحب المائية العميقة. تكشف بيانات الجوزاء بوضوح عن التصفيات في السحب عالية المستوى حيث يمكن إلقاء نظرة على السحب المائية العميقة.

يعتقد وونغ أن البرق شائع في نوع من المنطقة المضطربة المعروفة باسم المناطق الخيطية المطوية ، مما يشير إلى حدوث الحمل الحراري الرطب فيها. وقال "هذه الدوامات الإعصارية يمكن أن تكون مداخن للطاقة الداخلية ، مما يساعد على إطلاق الطاقة الداخلية من خلال الحمل الحراري". "إن ذلك لا يحدث في كل مكان ، ولكن يبدو أن شيئًا بشأن هذه الأعاصير يسهل الحمل الحراري".

إن القدرة على ربط البرق بسحب المياه العميقة تمنح الباحثين أيضًا أداة أخرى لتقدير كمية المياه في الغلاف الجوي للمشتري ، وهو أمر مهم لفهم كيفية تكوين المشتري وعمالقة الغاز والجليد الأخرى ، وبالتالي كيف تشكل النظام الشمسي ككل .

في حين تم استخلاص الكثير حول المشتري من بعثات فضائية سابقة ، فإن العديد من التفاصيل - بما في ذلك كمية المياه الموجودة في الغلاف الجوي العميق ، وكيفية تدفق الحرارة من الداخل بالضبط وما الذي يسبب ألوانًا وأنماطًا معينة في السحب - تظل غامضة. توفر النتيجة المجمعة نظرة ثاقبة للديناميكيات والبنية ثلاثية الأبعاد للغلاف الجوي.

رؤية بقعة حمراء "Jack-O-Lantern"

مع مراقبة هابل وجوزيني للمشتري بشكل متكرر أكثر أثناء مهمة جونو ، يستطيع العلماء أيضًا دراسة التغييرات قصيرة المدى والميزات قصيرة العمر مثل تلك الموجودة في البقعة الحمراء الكبرى.

كشفت الصور من جونو وكذلك المهام السابقة إلى المشتري عن ميزات داكنة داخل البقعة الحمراء الكبرى التي تظهر وتختفي وتغير شكلها بمرور الوقت. لم يكن واضحًا من الصور الفردية ما إذا كانت هذه سببها بعض المواد الغامقة ذات الألوان الداكنة داخل الطبقة السحابية العالية ، أو إذا كانت بدلاً من ذلك ثقوبًا في السحب العالية - النوافذ في طبقة أعمق وأكثر قتامة أدناه.

الآن ، مع القدرة على مقارنة صور الضوء المرئي من هابل مع صور الأشعة تحت الحمراء الحرارية من الجوزاء التي تم التقاطها في غضون ساعات من بعضها البعض ، من الممكن الإجابة على السؤال. المناطق المظلمة في الضوء المرئي مشرقة جدًا بالأشعة تحت الحمراء ، مما يشير إلى أنها في الواقع ثقوب في طبقة السحابة. في المناطق الخالية من الغيوم ، تكون الحرارة من داخل المشتري التي تنبعث في شكل ضوء الأشعة تحت الحمراء - التي تحجبها السحب عالية المستوى - حرة في الهروب إلى الفضاء وبالتالي تظهر مشرقة في صور الجوزاء.

قال وونغ "إنه يشبه نوعًا ما فانوس جاك أو فانوس". "ترى ضوءًا ساطعًا للأشعة تحت الحمراء قادمًا من مناطق خالية من السحابة ، ولكن في الأماكن التي توجد بها سحب ، يكون الظلام شديدًا في الأشعة تحت الحمراء."

تم صنع الصور الموضحة أعلاه للموضع الأحمر الكبير للمشتري باستخدام البيانات التي تم جمعها بواسطة تلسكوب هابل الفضائي ومرصد الجوزاء في 1 أبريل 2018. من خلال الجمع بين الملاحظات التي تم التقاطها في نفس الوقت تقريبًا من المرصدين المختلفين ، تمكن الفلكيون من تحديد ذلك الظلام الميزات في البقعة الحمراء الكبرى هي ثقوب في الغيوم وليست كتل من المواد المظلمة.

الجزء العلوي الأيسر (عرض عريض) وأسفل اليسار (التفاصيل) : صورة هابل لأشعة الشمس (أطوال موجية مرئية) التي تعكس السحب في جو المشتري تظهر ملامح داكنة داخل البقعة الحمراء الكبرى.

أعلى اليمين : تُظهر صورة الأشعة تحت الحمراء الحرارية لنفس المنطقة من الجوزاء الحرارة المنبعثة كطاقة الأشعة تحت الحمراء. تظهر السحب المغطاة الباردة كمناطق مظلمة ، لكن عمليات التنظيف في السحب تسمح بانبعاث الأشعة تحت الحمراء الساطعة للهروب من الطبقات الأكثر دفئًا أدناه.

الوسط السفلي : تظهر صورة فوق البنفسجية من هابل ضوء الشمس المتناثر من المخاطر فوق البقعة الحمراء الكبرى. تظهر البقعة الحمراء الكبرى حمراء في الضوء المرئي لأن هذه المخاطر تمتص الأطوال الموجية الزرقاء. تشير بيانات هابل إلى أن المخاطر لا تزال تمتص حتى عند أقصر موجات الأشعة فوق البنفسجية.

أسفل اليمين : يظهر مركب متعدد الأطوال من بيانات هابل وجوزيني ضوءًا مرئيًا باللون الأزرق والأشعة تحت الحمراء الحرارية باللون الأحمر. تشير الملاحظات المجمعة إلى أن المناطق الساطعة بالأشعة تحت الحمراء عبارة عن مناطق خالية أو أماكن يوجد بها غطاء سحابي أقل يحجب الحرارة من الداخل.

تم إجراء ملاحظات هابل وجوزيني لتوفير سياق رؤية واسعة لتمرير جونو الثاني عشر (Perijove 12).

هابل وجوزاء كما تعقب الطقس جوفيان

أثبت التصوير المنتظم للمشتري بواسطة هابل وجوزيني لدعم مهمة جونو قيمته في دراسات العديد من الظواهر الجوية الأخرى أيضًا ، بما في ذلك التغيرات في أنماط الرياح وخصائص موجات الغلاف الجوي وتداول الغازات المختلفة في الغلاف الجوي.

يمكن لـ Hubble و Gemini مراقبة الكوكب ككل ، مما يوفر خرائط أساسية في الوقت الحقيقي بأطوال موجية متعددة كمرجع لقياسات جونو بنفس الطريقة التي توفر بها أقمار الطقس لرصد الأرض سياقًا لصيادي الأعاصير ذوي الأجواء العالية في NOAA.

وأوضح سيمون: "نظرًا لأن لدينا الآن بشكل روتيني وجهات النظر عالية الدقة هذه من زوج من المراصد المختلفة والأطوال الموجية ، فإننا نتعلم المزيد عن طقس المشتري". "هذا هو مكافئنا لقمر الأحوال الجوية. يمكننا أخيرًا البدء في النظر في دورات الطقس."

نظرًا لأن ملاحظات هابل و Gemini مهمة جدًا لتفسير بيانات Juno ، فإن Wong وزملائه Simon و de Pater يسهلون الوصول إلى جميع البيانات المعالجة لباحثين آخرين من خلال أرشيف Mikulski Archives for Space Telescopes (MAST) في معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور ، ماريلاند.

"المهم هو أننا تمكنا من جمع مجموعة البيانات الضخمة هذه التي تدعم مهمة Juno. هناك العديد من التطبيقات لمجموعة البيانات التي قد لا نتوقعها حتى. لذلك ، سنقوم بتمكين الآخرين من القيام بالعلوم وقال دونج "دون هذا الحاجز المتمثل في معرفة كيفية معالجة البيانات بأنفسهم". و النتائج نشرت في أبريل 2020 في مجلة الفيزياء الفلكية سلسلة الملحق .

إن تلسكوب هابل الفضائي هو مشروع للتعاون الدولي بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (وكالة الفضاء الأوروبية). يدير مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند التلسكوب. يُجري معهد علوم التلسكوب الفضائي (STScI) في بالتيمور عمليات علم هابل. يتم تشغيل STScI لصالح وكالة ناسا من قبل اتحاد الجامعات للبحث في علم الفلك (AURA) في واشنطن العاصمة. يدير AURA مرصد الجوزاء لشراكة الجوزاء الدولية بما في ذلك الولايات المتحدة وكندا وشيلي والأرجنتين والبرازيل وجمهورية كوريا. يدير مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في باسادينا ، كاليفورنيا ، مهمة جونو لمعهد أبحاث الجنوب الغربي في سان أنطونيو ، تكساس. جونو هو جزء من برنامج ناسا للحدود الجديدة ، الذي يتم إدارته في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هانتسفيل ، ألاباما.

يُظهر هذا الرسم ملاحظات وتفسيرات للهياكل السحابية ودوران الغلاف الجوي للمشتري من المركبة الفضائية جونو ، ومنظار هابل الفضائي ومرصد الجوزاء. من خلال الجمع بين بيانات Juno و Hubble و Gemini ، يتمكن الباحثون من رؤية أن ومضات البرق تتجمع في مناطق مضطربة حيث توجد سحب مائية عميقة وحيث يرتفع الهواء الرطب لتشكيل أبراج الحمل الطويلة الشبيهة بغيوم السحب الركامية (الرعد) على الأرض. يعتمد الرسم السفلي على البرق وأبراج الحمل الحراري وسحب المياه العميقة والمساحات في جو المشتري على بيانات من جونو وهابل وجوزيني ، ويتوافق مع المقطع العرضي (الخط الأبيض الزاوي) المشار إليه في تفاصيل خريطة هابل وجوزيني. يمكن استخدام توليفة من الملاحظات لرسم خريطة بنية السحابة في ثلاثة أبعاد واستنتاج تفاصيل الدوران الجوي. تتشكل الغيوم الشاهقة الشاهقة حيث يرتفع الهواء الرطب (ارتفاع منسدل وحمل حراري نشط). تتشكل عمليات التطهير حيث يغرق الهواء الأكثر جفافا. تظهر السحب التي تظهر ارتفاعًا أعلى بخمس مرات من الأبراج الحملية المماثلة في الغلاف الجوي الضحل نسبيًا للأرض. تغطي المنطقة الموضحة امتدادًا أفقيًا بمقدار الثلث أكبر من تلك الموجودة في الولايات المتحدة القارية.


المصدر: وكالة الفضاء الأمريكية " ناسا "
الترجمة: فريق الجيوستراتيجي للدراسات