Die Sonde Juno hat direkt Partikel aus der Jupiteratmosphäre entdeckt, die mit ausreichender Geschwindigkeit in den Weltraum strömen, um dem Planeten zu entkommen.
Jupiter besitzt eine von Wasserstoff dominierte Atmosphäre und ein sehr starkes Magnetfeld. In der Nähe seiner Pole werden geladene Partikel von diesem Feld geleitet und erzeugen unter anderem ausgedehnte Polarlichter. Diese Regionen bilden außerdem einen Bereich des Austauschs zwischen der oberen Atmosphäre und der magnetischen Umgebung des Planeten.
Künstlerische Darstellung der Sonde Juno über dem Nordpol Jupiters, einer Region, in der ihre Instrumente geladene Partikel und Polarlichter untersuchen.
Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
Die Forschenden untersuchten einen besonderen Typ geladener Partikel namens H₃⁺. Er besteht aus drei Wasserstoffkernen, die zusammen eine positive elektrische Ladung tragen. In der Jupiteratmosphäre entsteht er, wenn Sonnenstrahlung oder energiereiche Partikel den Wasserstoff ionisieren. Seine Produktion ist in den Polarlichtregionen besonders stark.
Bisher wurde H₃⁺ vor allem aus der Ferne anhand des von ihm ausgesendeten Infrarotlichts untersucht. Diese Methode liefert Informationen über die Temperaturen und Bewegungen der oberen Atmosphäre, überlagert jedoch Emissionen aus verschiedenen Höhen. Juno ermöglichte es nun erstmals, diese Partikel direkt vor Ort über den Polen zu messen.
Die Instrumente der Sonde identifizierten hoch über der Ionosphäre intermittierende H₃⁺-Ströme. Einige Partikel bewegten sich mit einer Geschwindigkeit, die über der zum endgültigen Entkommen aus Jupiters Anziehungskraft erforderlichen Geschwindigkeit lag. Diese Messung bestätigt somit, dass ein Teil dieser Ionen den Planeten tatsächlich verlässt.
Gemessene Parameter in mehreren H₃⁺-Strömen in unterschiedlichen Entfernungen von Jupiter.
Quelle: Nature Astronomy, Abbildung aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung.
Wie werden sie beschleunigt? Die Autoren schlagen einen Mechanismus in zwei Schritten vor. Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Wellen im Plasma könnten zunächst die Aufwärtsbewegung in Gang setzen. Elektrische Felder oberhalb der Ionosphäre würden die Ionen anschließend auf die beobachteten Geschwindigkeiten beschleunigen.
Das Phänomen stellt einen Transfer von Materie und Energie zwischen der Ionosphäre, einer elektrisch geladenen oberen Schicht, und der vom jovianischen Magnetfeld kontrollierten Magnetosphäre dar. Die Forschenden schätzen den Verlust auf eine Größenordnung von 1026 H₃⁺-Ionen pro Sekunde. Diese Zahl ist enorm, doch jedes Ion ist äußerst leicht.
Diese Flucht bedeutet daher nicht, dass Jupiter schnell seine gewaltige Atmosphäre verlieren wird. Ihre Bedeutung liegt woanders: Sie zeigt direkt einen der Wege, auf denen Materie in den Polarregionen transportiert wird. Außerdem hilft sie zu verstehen, wie Polarlichter, elektrische Ströme und die obere Atmosphäre miteinander verbunden sind.
Ein vergleichbarer Mechanismus könnte auf anderen Planeten mit einer wasserstoffreichen Atmosphäre, einem starken Magnetfeld und infraroten Polarlichtern wirken. Die Juno-Daten, die öffentlich in den Archiven der NASA verfügbar sind, werden es ermöglichen, nach weiteren Episoden zu suchen und ihre Häufigkeit genauer zu bestimmen.