Hvad Juno har lært os om Jupiter

Når man hører ordet trio kommer man nok til at tænke på tre musikere, der spiller sammen. Men rumfarten har også en trio, som består af tre , der skal samarbejde om at udforske solsystemets største planet Jupiter og dens måner.

Det første medlem af trioen er rumsonden Juno, der siden 2016 har kredset om Jupiter. I april opsender ESA rumsonden Juice, og i oktober 2024 opsender NASA rumsonden Europa Clipper, der som navnet antyder skal koncentrere sig om Jupiters isdækkede måne Europa.

Juno, Juice og Europa Clipper er den trio, som i tiden frem til 2035 skal gennemføre den hidtil mest omfattende udforskning af Jupiter og dens måner.

Der er en god grund til denne store interesse, for på en måde er det næsten som at udforske et fremmed planetsystem, selvom Jupiter ikke er en stjerne. Jupiter minder nemlig i sin opbygning meget mere om Solen end en planet som Jorden.

Ligesom Solen består Jupiter hovedsageligt af gasserne brint og helium, og hvis Jupiters masse havde været bare 13 gange større, var den blevet til en meget lille stjerne af den type, man kalder en brun dværg.

Solen var da blevet til en dobbeltstjerne, men den større masse af Jupiter kunne ikke undgå at påvirke Jordens bane og dermed klimaet på Jorden. Vi skal nok være glade for, at Jupiter bare er solsystemets største planet og ikke en lille stjerne.

Desuden har Jupiter bogstavelig talt sit eget - og ikke helt lille - planetsystem. Ved sidste optælling er antallet af Måner kommet op på 92, hvor de fire er så store, at de næsten er små planeter.

Så der er nok at udforske. Juno har siden 2016 taget sig af Jupiter, og når Juice ankommer til Jupiter 2031, skal den koncentrere sig om tre af de fire store måner, og ismånen Europa kommer virkelig under lup, når Europa Clipper ankommer i 2030.

I denne artikel ser vi på, hvad Juno har lært os om Jupiter, og i den næste artikel ser vi på de to kommende - og meget store - rumsonder.

Jupiters mysterier

Jupiter har altid været et yndet mål for både astronomer og amatører, for selv i et lille teleskop kan man tydeligt se skybælterne på Jupiter og de fire store måner, der blev opdaget af Galilei allerede i 1610.

Andre rumsonder har besøgt Jupiter før Juno ankom i 2016, så man havde en liste klar med de ting, man særlig gerne ville udforske. De fire vigtigste opgaver for Juno blev:

• Jupiters skyer og storme
• Hvad gemmer sig under skyerne?
• Jupiters opbygning – har Jupiter en kerne som Jorden?
• Jupiters magnetfelt og hvordan det er dannet

Her må man huske, at Jupiter ikke på nogen måde minder om en almindelig planet. Jupiter har ikke nogen fast overflade under det tætte skylag men blot en atmosfære, der består af brint og helium samt en smule ammoniak, metan og vand.

Under skyerne bliver atmosfæren gradvist tættere og tættere, indtil brinten i det indre af planeten bliver presset sammen til noget, der mere minder om metal end om en gas.

Det, Juno er blevet kendt for, er nu ikke så meget de store videnskabelige undersøgelser, som de fantastiske billeder, kameraet JunoCam har taget. Det er egentlig ikke en del af de videnskabelige instrumenter, men følger med som det, NASA kalder for 'Public Science and Outreach', så vi kunne få nogle pæne billeder at se på.

Men det er ikke det eneste. Gennem årene har det udviklet sig på den måde, at amatører nu spiller en betydelig rolle i at undersøge billederne og ofte med brug af ganske avancerede IT-værktøjer har kunnet bearbejde billederne, så de får forøget videnskabelig værdi – eller som bare forvandler billederne til rene kunstværker. På den måde er det et projekt, NASA har haft en meget stor succes med.

Så lad os begynde med at se på, hvad kameraet har vist.

Cykloner ved Jupiters poler

Juno kredser om Jupiter i en aflang bane, der fører den henover begge Jupiters poler. Banen er lagt, så Juno opholder sig mindst mulig tid i de meget stærke strålingsbælter, der ikke bare er farlige for mennesker, men som også kan skade elektronik.

Men dette valg af bane gjorde det for første gang muligt at tage billeder af Jupiters polarområder, og de var overraskende.

I stedet for de velkendte skybælter nærmere Jupiters ækvator så man en række cykloner både omkring nordpolen og sydpolen. En cyklon er egentlig bare et lavtryk, men omkring dette lavtryk kan der dannes meget kraftige vinde, der blæser rundt om lavtrykket.

Rundt om Jupiters sydpol fandt Juno fem cykloner, hver med en diameter på omkring 4.000 kilometer og dermed større end USA. Nordpolen viste sig på tilsvarende måde at have hele otte cykloner.

Det mest bemærkelsesværdige var, at cyklonerne ikke flyttede sig, men blev det samme sted i en tilsyneladende stabil konfiguration.

Målinger tyder på, at cyklonerne er dannet ved konvektion. Her stiger varm luft fra atmosfærelag dybt nede op og tilfører på den måde energi til de øvre luftlag. Det fører til dannelsen af et lavtryk, som så udvikler sig til en cyklon.

Før Juno ankom, var disse cykloner helt ukendte, fordi vi aldrig før havde haft mulighed for at studere polarområderne på Jupiter.

Hvad gemmer sig under skyerne?

Junos kamera kan jo ikke se ned under skyerne, hvor der foregår mindst lige så meget som i selve skylaget. For at se dybere ned kræves et særligt måleudstyr, nemlig et mikrobølge radiometer, som kan måle bølgelængder mellem 1,4 cm og 50 cm.

Radiometret kan måle strålingen fra gasser helt ned til en dybde på over 200 kilometer under skylaget. Et af de stoffer, man sporer, er ammoniak, selv om det kun er en lille bestanddel af atmosfæren.

Det skyldes, at brint og helium er gennemsigtige for de fleste mikrobølgefrekvenser, mens ammoniak absorberer mikrobølger. Et svagt mikrobølgesignal kan altså tyde på, at man har målt på et område med meget ammoniak, der absorberer mikrobølgestrålingen.

Med radiometret har man gradvist skabt et tredimensionelt billede af de dybereliggende lag i Jupiters atmosfære, og de målinger har givet det overraskende resultat, at de storme, som skaber skybælterne på Jupiter, ikke bare er noget, der findes i de øverste skylag. Man kan spore stormene flere hundrede kilometer ned under skydækket.

Det samme gælder den berømte ’røde plet’, en hvirvelstorm større end Jorden, som har blæst i mere end 300 år. Juno har kunnet spore den røde plet til en dybde omkring 300 kilometer ned under skylaget.

Et andet fænomen, Juno opdagede, var lyn højt oppe i atmosfæren.

Allerede Voyager målte lyn på Jupiter, men før Juno mente man, at lynene opstod dybt nede i atmosfæren omkring 50 kilometer under skylaget, hvor temperaturen er tæt på nul grader, så der kan findes dråber af vand. Vanddråber i bevægelse er nemlig nødvendige for at danne lyn.

Men Juno så lyn meget højere oppe i selve skylaget, og det var uventet, da skyerne er så kolde, at alt vand fryser til is. For at finde forklaringen på disse lyn, skal vi et godt stykke ned under skylaget.

Junos målinger viste nemlig, at atmosfæren er ikke blandet så godt som forventet, når man går ned under skylaget. Over store dele af Jupiter er der et underskud af ammoniak i forhold til det forventede.

Det var en stor gåde, indtil der blev fremsat en teori, som giver en forbindelse mellem de lyn, Juno har observeret oppe i skylaget og manglen på ammoniak dybere nede.

Ifølge NASA-forskeren Heidi Becker sker der følgende: De øverste skylag, som vi kan observere, er meget kolde, og her kan vand kun findes som is. Men går vi længere ned, så stiger temperaturen, og til sidst temperaturen høj nok til, at der kan dannes skyer af små vanddråber, ligesom vi kender det her fra Jorden.

Der opstår storme og tordenvejr, og det kan føre til, at vanddråber slynges højere op over Jupiters vandskyer, hvor de hurtigt fryser til is. Undervejs op møder vandiskrystallerne den atmosfæriske ammoniak.

Ammoniakken virker som en frostvæske, der sænker smeltepunktet for vandis og tillader dannelsen af dråber af ammoniakvand, som amerikanerne kalder for mushballs.

Disse dråber er tunge og begynder at falde ned, og når de møder de opadstigende vandiskrystaller, kan der dannes lyn.

Mushballs forklarer ikke bare lyn, men også manglen på ammoniak dybere nede. Mushballs kan blive ganske store – måske på størrelse med en tennisbold, så når de falder ned, tager de ammoniakken med.

På deres vej ned bliver ammoniak-vandet omgivet af et stadig tykkere lag af is, der skjuler ammoniakken fra radiometret - ammoniakken er altså ikke forsvundet, men bare skjult.

Til sidst kommer disse mushballs dog så langt ned, at isen smelter og ammoniakken igen frigøres. Men det sker først meget langt nede.

Jupiters mærkelige kerne

Jorden har som bekendt en kerne af jern omgivet af en kappe af klippe. Denne opbygning af en planet i kerne og kappe er næsten blevet en standardmodel for planeter.

Således havde man også forventet, at Jupiter ville have en kerne, måske ikke af jern, men så af klippe. Denne kerne ville så være omgivet af en mange tusinde kilometer tyk kappe af brint og helium.

Kernen var således blevet anslået til at have en masse på måske 10-30 gange Jordens masse. Til sammenligning har Jupiter en masse på cirka 320 gange Jordens masse.

Juno målte nu på kernen undervejs i banen omkring Jupiter. Banen for Juice er bestemt af Jupiters tyngdefelt og viser dermed, hvordan tunge stoffer som metaller er fordelt i Jupiters indre. Det er meget komplicerede målinger som kræver en masse matematik for at fortolke.

Junos målinger viste, at Jupiter rummer tunge grundstoffer, med en masse på mellem 11 og 30 gange Jordens masse. Men de tunge grundstoffer var ikke som i Jorden pænt samlet i en kerne helt inde i midten af planeten. De tunge grundstoffer er spredt ud over en stor del af Jupiters indre.

Man taler i dag om en fortyndet kerne (på engelsk: dilute core), hvor de tunge grundstoffer er blandet op med brint og helium.

Denne ’fortyndede kerne’ har en radius på ikke mindre end 63% af Jupiters radius, og der er ingen skarp overgang mellem kerne og kappe som på Jorden.

Det er nu blevet en udfordring for astronomerne at forklare, hvordan den er dannet. En af teorierne går ud på, at Jupiter blev dannet med en ’normal’ kerne. Men så var planeten så uheldig at støde frontalt sammen med en planet på mindst 10 gange Jordens masse, der ødelagde den oprindelige kerne og som førte til dannelsen af den ’fortyndede’ kerne, hvor der findes stoffer både fra Jupiters oprindelige kerne og kernen fra planeten.

Som nævnt er der mange teorier, og den endelige forklaring på den fortyndede kerne har vi nok ikke endnu.

Jupiters blå plet

Mange har nok hørt om Jupiters røde plet, der er en gigantisk storm langt større end Jorden.

Men Juno har også fundet noget helt andet, der går under navnet ’Jupiters blå plet’. Den blå plet er ikke blå, ikke en storm og kan ikke ses på fotografier. Det er derimod et område, hvor Jupiters magnetfelt lokalt er meget stærkt.

Navnet ’den blå plet’ skyldes simpelthen det farveskema, der bruges til at kortlægge Jupiters magnetfelt. En mørkeblå farve på et magnetisk kort viser nemlig, at her er et område med et meget kraftigt magnetfelt. I den blå plet går magnetfeltet ind i Jupiter – ganske som det sker ved Jupiters magnetiske sydpol.

Den blå plet blev fundet, fordi en af Junos opgaver er at kortlægge Jupiters meget stærke magnetfelt, som gør det muligt for Jupiter at have nogle meget stærke strålingsbælter, der består af partikler som elektroner og protoner, der er indfanget af magnetfeltet.

Kortlægningen har givet nogle meget overraskende resultater. Jordens magnetfelt er et nogenlunde pænt dipolfelt af den slags, vi kender fra en stangmagnet, hvor de magnetiske feltlinjer går ud fra den magnetiske nordpol og ind i Jorden igen ved den magnetiske sydpol.

Modsat Jorden er Jupiters magnetfelt kun med tilnærmelse et dipolfelt. På Jupiter er dipolens nordpol (hvor magnetfeltlinjer peger radialt udad) placeret på planetens nordlige halvkugle, og dipolens sydpol ligger på dens sydlige halvkugle. Desuden går feltet ikke bare ind i Jupiter igen ved sydpolen, men også i ’den blå plet’.

En anden overraskelse var, at styrken af magnetfeltet varierer hen over Jupiters overflade. Det kan skyldes, at magnetfeltet ikke dannes helt inde i centret som Jordens magnetfelt, men meget højere oppe, måske i et lag af metallisk brint.

Her har observationer af den blå plet vist sig at være vigtige. Man har nemlig opdaget, at centret af pletten bevæger sig mod vest, sandsynligvis under påvirkning af en stærk vestenvind.

Hvis det er tilfældet, så må det skyldes, at vindsystemerne når langt længere ned end hidtil antaget, således at vinden også kan påvirke brinten dybt nede under overfladen, hvor magnetfeltet dannes.

Det stærke magnetfelt og strålingsbælterne betyder, at Jupiter har polarlys ligesom Jorden, men polarlyset ligger desværre mest i det ultraviolette område, som vi jo ikke kan se.