Gemini se sumerge en las misteriosas profundidades de las nubes de Júpiter

May 7, 2020

En un trabajo conjunto con el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio internacional Gemini, aporta nuevas ideas sobre el clima en Júpiter, mientras presta ayuda a la misión espacial Juno

Gemini se sumerge en las misteriosas profundidades de las nubes de Júpiter

Utilizando una técnica conocida como “imagen afortunada” (“lucky imaging” en inglés) con el telescopio de Gemini Norte en Hawai’i, un equipo de astrónomos recopiló algunas de las imágenes de Júpiter más nítidas que se hayan logrado desde tierra. Estas imágenes son parte de un programa de varios años en conjunto con el Telescopio Espacial Hubble, en apoyo a la misión Juno de la NASA. Al combinar las imágenes de Gemini con las observaciones de Juno y Hubble, se descubrió que los relámpagos y algunos de los sistemas de tormentas que los crean, se forman al interior y alrededor de enormes celdas convectivas, sobre nubes de agua congelada y líquida que se encuentran en zonas más profundas del planeta. Las nuevas observaciones también confirman que las zonas opacas en la famosa Gran Mancha Roja son en realidad brechas en la cobertura de nubes y no variaciones en el color de las mismas.

Tres años de observaciones utilizando el Observatorio internacional Gemini, un programa de NOIRLab de NSF operado por Observatorio AURA, fueron necesarias para realizar un sondeo profundo en las nubes de Júpiter. Las imágenes infrarrojas ultra nítidas de Gemini, complementaron las observaciones ópticas y ultravioletas del Telescopio Espacial Hubble y las observaciones de radio de la nave espacial Juno, y finalmente revelaron nuevos secretos ocultos en el planeta gigante.

“Los datos de Gemini fueron críticos porque nos permitieron sondear en las profundidades de las nubes de Júpiter con una repetición regular”, señaló Michael Wong de la UC de Berkeley. “Utilizamos una técnica muy poderosa llamada imagen afortunada”, agregó Wong. Con esta técnica, se obtiene una gran cantidad de imágenes de exposición muy corta y sólo se utilizan las imágenes más nítidas, cuando la atmósfera de la Tierra es más estable. El resultado en este caso son algunas de las imágenes infrarrojas con mejor resolución que se hayan obtenido de Júpiter desde tierra. Según Wong, "estas imágenes compiten con las tomadas desde el espacio".

El Generador de Imágenes en Infrarrojo Cercano de Gemini (NIRI por sus siglas en inglés), permitió a los astrónomos observar en profundidad las poderosas tormentas de Júpiter, ya que la luz infrarroja de mayor longitud de onda puede atravesar la neblina delgada, pero las nubes de mayor espesor obstruyen su paso. En las imágenes, esto crea un efecto como el de un farol resplandeciendo en medio de la bruma, en donde el brillo de las capas más cálidas y profundas del planeta, se cuela a través de las grietas de la gruesa capa de nubes del planeta gigante.

La detallada imagen de múltiples longitudes de onda de Júpiter que lograron Gemini y Hubble durante los últimos tres años, demostró ser crucial para contextualizar las observaciones del orbitador Juno y comprender los patrones de viento, las ondas atmosféricas y los ciclones de Júpiter. Los dos telescopios, junto con Juno, pueden observar la atmósfera de Júpiter como un sistema de fenómenos de vientos, gases, calor y clima, proporcionando una cobertura y un conocimiento muy parecido a la red de satélites meteorológicos que se utilizan para observar la Tierra.
“Las nuevas imágenes tomadas por el telescopio Gemini ilustran muy bien lo que significa un trabajo científico colaborativo de varios años, como es el caso del telescopio Hubble, cuyo programa científico también es operado por el Observatorio AURA”, señala el Director del Observatorio AURA en Chile, Dr. Mario Hamuy.

Mapeando tormentas eléctricas gigantes

En cada uno de los vuelos cercanos sobre las nubes de Júpiter, Juno detectó señales de radio creadas por poderosos relámpagos llamados sferics (abreviatura de atmosféricos) y silbidos (llamados así por el tono de silbato que causan en los receptores de radio). En esos momentos, Gemini y Hubble se enfocaron en Júpiter para obtener detallados mapas de grandes áreas y en alta resolución.

Los instrumentos de Juno podían precisar las coordenadas de latitud y longitud de los grupos de señales de sferics y silbidos. Con las imágenes de NIRI y Hubble en múltiples longitudes de onda, ahora los investigadores pueden determinar la estructura de nubes en las coordenadas de estas locaciones. Al combinar estos tres datos, el equipo de investigación descubrió que los rayos y algunos de los sistemas de tormentas más grandes que los crean, se forman dentro y alrededor de grandes células convectivas por sobre nubes de agua congelada y líquida que se encuentran a mayor profundidad.

“Los científicos rastrean los relámpagos porque son marcadores de convección, el turbulento proceso de mezcla que transporta el calor interno de Júpiter hasta las nubes visibles de las capas superiores”, explicó Wong. La mayor concentración de rayos observada por Juno provino de una tormenta arremolinada que se denomina “ciclón filamentoso”. Las imágenes de Gemini y Hubble muestran detalles en el ciclón que revelan una colección retorcida de altas nubes convectivas con profundos espacios que indican rastros de nubes de agua muy por debajo.

“Los estudios actuales sobre las fuentes de los relámpagos nos ayudarán a comprender cómo la convección en Júpiter es diferente o similar a la convección en la atmósfera de la Tierra”, comentó Wong.

Rasgos brillantes en la Gran Mancha Roja

Mientras escaneaba al gigante gaseoso en busca de grietas en la capa de nubes, Gemini detectó un brillo particular en la Gran Mancha Roja, lo que da claros indicios de capas atmosféricas más cálidas y profundas.

“Anteriormente, se han visto características similares en la Gran Mancha Roja”, señaló el miembro del equipo Glenn Orton, de JPL, “pero las observaciones en luz visible, no pudieron distinguir entre el opaco material nuboso, y la delgada nube que cubre el interior oscuro de Júpiter, por lo que su naturaleza sigue siendo un misterio”.

Ahora, con los datos de Gemini, ese misterio está resuelto. En las imágenes de Hubble que muestran un semi círculo oscuro en la Gran Mancha Roja, las imágenes en infrarrojo tomadas por Gemini muestran un arco brillante iluminando la región. Las nubes más gruesas de esta zona, estarían bloqueando la luz infrarroja del interior más cálido, pero puede pasar por las zonas con bruma más despejadas. Al ver estas zonas como puntos brillantes en infrarrojo, Gemini confirmó que existen brechas en las nubes. Aún cuando observaciones previas dan cuenta de rasgos opacos en la Gran Mancha Roja, los veloces vientos arremolinados al interior ocultaban la verdadera naturaleza de estas áreas hasta que se realizaron las observaciones simultáneas de Hubble y Gemini.

“NIRI, en Gemini Norte, es la forma más efectiva para que los investigadores de Estados Unidos y de la asociación internacional de investigadores de Gemini, puedan obtener los mapas más detallados de Júpiter en estas longitudes de onda”, explicó Wong. NIRI logró una resolución de aproximadamente 500 kilómetros (300 millas) en Júpiter. “Con esta resolución, el telescopio podría distinguir los dos focos de un automóvil en Miami, desde la ciudad de Nueva York”, precisó Andrew Stephens, un astrónomo de Gemini que dirigió las observaciones.

“Estas observaciones coordinadas probaron nuevamente que la astronomía innovadora se genera combinando las capacidades de los telescopios de Gemini con instalaciones complementarias en tierra y en el espacio”, opinó Martin Still, director del programa de astronomía de la Fundación Nacional de Ciencias, que corresponde a la agencia de Estados Unidos que financia a Gemini. “La Asociación Internacional de Gemini provee un acceso abierto a una poderosa combinación de enormes superficies colectoras en los grandes telescopios, a una programación flexible y a una amplia selección de instrumentos intercambiables”, concluyó.

Más Información

Los resultados fueron publicados en la edición de abril de 2020 de The Astrophysical Journal Supplement Series.

Como consecuencia de su valor intrínseco para las investigaciones en curso y en el futuro, Wong está haciendo que los datos procesados de Gemini y Hubble estén disponibles para otros investigadores mediante los Archivos Mikulski para los Telescopios Espaciales (MAST), en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland.

El equipo de investigación estaba compuesto por: Michael H. Wong (University of California, Berkeley), Amy A. Simon (NASA Goddard Space Flight Center), Joshua W. Tollefson and Imke de Pater (University of California, Berkeley), Megan N. Barnett (University of Chicago), Andrew I. Hsu (University of California, Berkeley), Andrew W. Stephens (Observatorio Gemini Norte), Glenn S. Orton (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology), Scott W. Fleming (Space Telescope Science Institute), Charles Goullaud (University of California, Berkeley), William Januszewski and Anthony Roman (Space Telescope Science Institute), Gordon L. Bjoraker (NASA Goddard Space Flight Center), Sushil K. Atreya (University of Michigan), Alberto Adriani (Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali), and Leigh N. Fletcher (University of Leicester).

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (en cooperación con SLAC National Accelerator Laboratory del DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.