Se sabe que las auroras del planeta producen luz de rayos X de baja energía. Un nuevo estudio finalmente revela rayos X de mayor frecuencia y explica por qué eludieron otra misión hace 30 años.
Imagen de las auroras de Júpiter realizada por el telescopio espacial Hubble. Crédito: NASA/ESA, El Equipo del Patrimonio del Hubble. Agradecimiento: H. Weaver (JHU/APL) y A. Simon-Miller (NASA/GSFC)
Los científicos han estado estudiando Júpiter de cerca desde la década de 1970, pero el gigante gaseoso todavía está lleno de misterios. Nuevas observaciones del observatorio espacial NuSTAR de la NASA han revelado la luz de mayor energía jamás detectada en Júpiter. La luz, en forma de rayos X que NuSTAR puede detectar, es también la luz de mayor energía jamás detectada en un planeta del sistema solar que no sea la Tierra. Un artículo en la revista Nature Astronomy informa sobre el hallazgo y resuelve un misterio de décadas de antigüedad: por qué la misión Ulises no vio rayos X cuando voló más allá de Júpiter en 1992.
Los rayos X son una forma de luz, pero con energías mucho más altas y longitudes de onda más cortas que la luz visible que los ojos humanos pueden ver. El Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el observatorio XMM-Newton de la ESA (Agencia Espacial Europea) han estudiado los rayos X de baja energía de las auroras de Júpiter, espectáculos de luz cerca de los polos norte y sur del planeta que se producen cuando los volcanes en la luna io de Júpiter inundan el planeta con iones (átomos despojados de sus electrones). El poderoso campo magnético de Júpiter acelera estas partículas y las canaliza hacia los polos del planeta, donde chocan con su atmósfera y liberan energía en forma de luz.
Los electrones de Io también son acelerados por el campo magnético del planeta, según las observaciones de la nave espacial Juno de la NASA, que llegó a Júpiter en 2016. Los investigadores sospecharon que esas partículas deberían producir rayos X de mayor energía que los observados por Chandra y XMM-Newton, y NuSTAR (abreviatura de Nuclear Spectroscopic Telescope Array) es el primer observatorio en confirmar esa hipótesis.
NuSTAR detectó rayos X de alta energía de las auroras cerca de los polos norte y sur de Júpiter. NuSTAR no puede localizar la fuente de la luz con alta precisión, pero solo puede encontrar que la luz proviene de algún lugar de las regiones de color púrpura. Créditos: NASA/JPL-Caltech
“Es bastante difícil para los planetas generar rayos X en el rango que NuSTAR detecta”, dijo Kaya Mori, astrofísica de la Universidad de Columbia y autora principal del nuevo estudio. “Pero Júpiter tiene un enorme campo magnético, y está girando muy rápidamente. Esas dos características significan que la magnetosfera del planeta actúa como un acelerador de partículas gigante, y eso es lo que hace posible estas emisiones de mayor energía”.
Los investigadores se enfrentaron a múltiples obstáculos para hacer la detección de NuSTAR: por ejemplo, las emisiones de mayor energía son significativamente más débiles que las de menor energía. Pero ninguno de los desafíos podría explicar la no detección por parte de Ulysses, una misión conjunta entre la NASA y la ESA que era capaz de detectar rayos X de mayor energía que NuSTAR. La nave espacial Ulysses se lanzó en 1990 y, después de múltiples extensiones de misión, funcionó hasta 2009.
La solución a ese rompecabezas, según el nuevo estudio, radica en el mecanismo que produce los rayos X de alta energía. La luz proviene de los electrones energéticos que Juno puede detectar con su Experimento de Distribuciones Aurorales Jovianas (JADE) y el Instrumento Detector de Partículas Energéticas de Júpiter (JEDI), pero hay múltiples mecanismos que pueden hacer que las partículas produzcan luz. Sin una observación directa de la luz que emiten las partículas, es casi imposible saber qué mecanismo es responsable.
En este caso, el culpable es algo llamado emisión de bremsstrahlung. Cuando los electrones que se mueven rápidamente se encuentran con átomos cargados en la atmósfera de Júpiter, son atraídos a los átomos como imanes. Esto hace que los electrones se desaceleren rápidamente y pierdan energía en forma de rayos X de alta energía. Es como si un automóvil en movimiento rápido transfiriera energía a su sistema de frenado para reducir la velocidad; de hecho, bremsstrahlung significa “radiación de frenado” en alemán. Los iones que producen los rayos X de menor energía emiten luz a través de un proceso llamado emisión de línea atómica.
Cada mecanismo de emisión de luz produce un perfil de luz ligeramente diferente. Utilizando estudios establecidos de perfiles de luz bremsstrahlung, los investigadores mostraron que los rayos X deberían volverse significativamente más débiles a energías más altas, incluso en el rango de detección de Ulises.
“Si hicieras una simple extrapolación de los datos de NuSTAR, te mostraría que Ulises debería haber sido capaz de detectar rayos X en Júpiter”, dijo Shifra Mandel, estudiante de doctorado en astrofísica en la Universidad de Columbia y coautora del nuevo estudio. “Pero construimos un modelo que incluye la emisión de bremsstrahlung, y ese modelo no solo coincide con las observaciones de NuSTAR, sino que nos muestra que a energías aún más altas, los rayos X habrían sido demasiado débiles para que Ulysses los detectara”.
Las conclusiones del artículo se basaron en observaciones simultáneas de Júpiter por NuSTAR, Juno y XMM-Newton.
Entender a Júpiter para entender el universo
En la Tierra, los científicos han detectado rayos X en las auroras de la Tierra con energías aún más altas que las que NuSTAR vio en Júpiter. Pero esas emisiones son extremadamente débiles, mucho más débiles que las de Júpiter, y solo pueden ser detectadas por pequeños satélites o globos de gran altitud que se acercan extremadamente a los lugares en la atmósfera que generan esos rayos X. Del mismo modo, la observación de estas emisiones en la atmósfera de Júpiter requeriría un instrumento de rayos X cerca del planeta con mayor sensibilidad que los transportados por Ulises en la década de 1990.
“El descubrimiento de estas emisiones no cierra el caso; está abriendo un nuevo capítulo”, dijo William Dunn, investigador del University College de Londres y coautor del artículo. “Todavía tenemos muchas preguntas sobre estas emisiones y sus fuentes. Sabemos que los campos magnéticos giratorios pueden acelerar las partículas, pero no entendemos completamente cómo alcanzan velocidades tan altas en Júpiter. ¿Qué procesos fundamentales producen naturalmente tales partículas energéticas?
“Los científicos esperan que el estudio de las emisiones de rayos X de Júpiter pueda ayudarlos a comprender objetos aún más extremos en nuestro universo. NuSTAR normalmente estudia objetos fuera de nuestro sistema solar, como estrellas en explosión y discos de gas caliente acelerados por la gravedad de agujeros negros masivos.
El nuevo estudio es el primer ejemplo de científicos que pueden comparar las observaciones de NuSTAR con los datos tomados en la fuente de los rayos X (por Juno). Esto permitió a los investigadores probar directamente sus ideas sobre lo que crea estos rayos X de alta energía. Júpiter también comparte una serie de similitudes físicas con otros objetos magnéticos en el universo (magnetares, estrellas de neutrones y enanas blancas), pero los investigadores no entienden completamente cómo las partículas se aceleran en las magnetosferas de estos objetos y emiten radiación de alta energía. Al estudiar Júpiter, los investigadores pueden revelar detalles de fuentes distantes que aún no podemos visitar.