El anillo difuso de Amaltea, océanos ocultos y volcanes furtivos: el complejo sistema de Júpiter servirá como campo de pruebas local de Webb.
El telescopio espacial James Webb de la NASA tendrá una primera tarea desafiante en el sistema solar: observar el planeta más grande y el de rotación más rápida, Júpiter, así como sus tenues anillos y dos de los cuatro satélites galileanos: el helado Ganímedes y el ardiente Io. Además de sentar las bases para el resto de la misión Webb, el ambicioso programa debería generar nuevos conocimientos científicos, no solo sobre el sistema joviano, sino también sobre la historia geológica de la Tierra y la ciencia de los exoplanetas.
Júpiter, llamado así por el rey de los antiguos dioses romanos, comanda su propia mini versión de nuestro sistema solar de satélites circulares; sus movimientos convencieron a Galileo Galilei de que la Tierra no es el centro del universo a principios del siglo XVII. Más de 400 años después, los astrónomos utilizarán el telescopio espacial James Webb de la NASA para observar estos famosos objetos, llevando los instrumentos del observatorio a su máxima capacidad y sentando las bases para un descubrimiento científico de gran alcance.
Un equipo diverso de más de 40 investigadores, dirigido por los astrónomos Imke de Pater de la Universidad de California, Berkeley y Thierry Fouchet del Observatoire de Paris, han diseñado un ambicioso programa de observación que llevará a cabo algunas de las primeras observaciones científicas de Webb en el sistema solar. —Estudiar Júpiter, su sistema de anillos y dos de sus lunas: Ganimedes e Ío.
“Será un experimento realmente desafiante”, dijo de Pater. "Júpiter es tan brillante, y los instrumentos de Webb son muy sensibles, que observar tanto el planeta brillante como sus anillos más difusos y sus lunas será una excelente prueba de cómo aprovechar al máximo la innovadora tecnología del Webb".
Júpiter
Además de calibrar los instrumentos de Webb para el brillo de Júpiter, los astrónomos también deben tener en cuenta la rotación del planeta, porque Júpiter completa un día en solo 10 horas. Se deben unir varias imágenes en un mosaico para capturar completamente un área determinada, la famosa tormenta conocida como Gran Mancha Roja, por ejemplo, una tarea que se hace más difícil cuando el objeto en sí se mueve. Si bien muchos telescopios han estudiado Júpiter y sus tormentas, el gran espejo y los poderosos instrumentos del Webb proporcionarán nuevos conocimientos.
“Sabemos que la atmósfera sobre la Gran Mancha Roja es más fría que otras áreas de Júpiter, pero en altitudes más altas, en la mesosfera, la atmósfera parece ser más cálida. Usaremos el Webb para investigar este fenómeno”, dijo de Pater.
Webb también examinará la atmósfera de la región polar, donde la nave espacial Juno de la NASA descubrió un grupo de ciclones. Los datos espectroscópicos de Webb proporcionarán mucho más detalle de lo que han sido posible obtener en observaciones pasadas, midiendo vientos, partículas de nubes, composición de gases y temperatura.
Las futuras observaciones de los planetas gigantes en el sistema solar se beneficiarán de las lecciones aprendidas en estas primeras observaciones del sistema joviano. El equipo tiene la tarea de desarrollar nuevos métodos para trabajar con las observaciones del Webb de los planetas del sistema solar, y que otros científicos pueden utilizar más adelante.
Anillos
Los cuatro planetas gigantes gaseosos del sistema solar tienen anillos, siendo Saturno el más destacado. El sistema de anillos de Júpiter se compone de tres partes: un anillo principal plano; un halo dentro del anillo principal, con forma de lente doblemente convexa; y el anillo de Amaltea, exterior al anillo principal. El sistema de anillos de Júpiter es excepcionalmente débil porque las partículas que forman los anillos son tan pequeñas y escasas que no reflejan mucha luz. Junto al brillo del planeta prácticamente desaparecen, presentando un desafío para los astrónomos.
"Realmente estamos llevando al límite las capacidades de algunos de los instrumentos del Webb para obtener un nuevo conjunto único de observaciones", dijo el co-investigador Michael Wong de la Universidad de California, Berkeley. El equipo probará algunas estrategias de observación para lidiar con la luz dispersa de Júpiter y construirá modelos para que los usen otros astrónomos, incluidos los que estudian exoplanetas que orbitan estrellas brillantes.
El equipo buscará hacer nuevos descubrimientos en los anillos también. De Pater señaló que puede haber "lunares efímeros" sin descubrir en el sistema de anillo dinámico, y posibles ondas en el anillo por los impactos del cometa, como los observados y rastreados hasta el impacto del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994.
Ganímedes
Varias características del helado Ganímedes lo hacen fascinante para los astrónomos. Además de ser la luna más grande del sistema solar, y más grande incluso que el planeta Mercurio, es la única luna conocida que tiene su propio campo magnético. El equipo investigará las partes más externas de la atmósfera de Ganímedes, su exosfera, para comprender mejor la interacción de la luna con las partículas en el campo magnético de Júpiter.
También hay evidencia de que Ganímedes puede tener un océano líquido de agua salada debajo de su gruesa superficie de hielo, que Webb investigará con un estudio espectroscópico detallado de sales superficiales y otros compuestos. La experiencia del equipo en el estudio de la superficie de Ganímedes puede ser útil en un futuro estudio de otras lunas heladas del sistema solar sospechosas de tener océanos subsuperficiales, incluida la luna de Saturno, Encelado, y su compañero satélite joviano Europa.
Io
En dramático contraste con Ganímedes, está la otra luna que el equipo estudiará, Io, el mundo con mayor actividad volcánica en el sistema solar. La superficie dinámica está cubierta con cientos de enormes volcanes que eclipsarían a los de la Tierra, así como lagos de lava fundida y llanuras inundables de lava solidificada. Los astrónomos planean usar Webb para aprender más sobre los efectos de los volcanes de Io en su atmósfera.
"Todavía hay mucho que no sabemos sobre la estructura de la temperatura atmosférica de Io, porque no hemos tenido los datos para distinguir la temperatura a diferentes altitudes", dijo de Pater. “En la Tierra damos por sentado que a medida que subes una montaña, el aire se enfría, ¿sería lo mismo en Io? En este momento no lo sabemos, pero Webb puede ayudarnos a descubrirlo”.
Otro misterio que Webb investigará en Io es la existencia de "volcanes silenciosos", que emiten columnas de gas sin el polvo reflector de la luz que puede ser detectado por naves espaciales como las misiones Voyager y Galileo de la NASA, y hasta ahora no se han detectado. La alta resolución espacial del Webb podrá aislar volcanes individuales que anteriormente aparecían como un gran punto caliente, permitiendo a los astrónomos recopilar datos detallados sobre la geología de Io.
Webb también proporcionará datos sin precedentes sobre la temperatura de los puntos calientes de Io, y determinará si están más cerca del vulcanismo en la Tierra actual, o si tienen una temperatura mucho más alta, similar al ambiente en la Tierra en los primeros años después de su formación. Observaciones previas de la misión Galileo y los observatorios terrestres han insinuado estas altas temperaturas; Webb hará un seguimiento de esa investigación y proporcionará nuevas pruebas que pueden resolver esta cuestión.
Esfuerzo de equipo
Las observaciones detalladas de Webb no suplantarán a las de otros observatorios, sino que se coordinarán con ellas, explicó Wong. “Las observaciones espectroscópicas de Webb cubrirán solo un área pequeña del planeta, por lo que las vistas globales desde los observatorios terrestres pueden mostrar cómo los datos detallados de Webb se ajustan a lo que sucede a mayor escala, de forma similar a cómo Hubble y el observatorio Gemini proporcionan el mismo contexto para las observaciones en Juno.
A su vez, el estudio de Webb sobre las tormentas y la atmósfera de Júpiter complementará los datos de Juno, incluidas las señales de radio de los rayos, que Webb no detecta. "Ningún observatorio o nave espacial puede hacerlo todo", dijo Wong, "así que estamos muy entusiasmados de combinar datos de múltiples observatorios para decirnos mucho más de lo que podríamos aprender de una sola fuente".
Esta investigación se lleva a cabo como parte del programa Webb Early Release Science (ERS). Este programa proporciona tiempo de uso del Webb a proyectos seleccionados en los inicios del funcionamiento del observatorio, lo que permite a los investigadores aprender rápidamente cómo utilizar mejor las capacidades de Webb, al tiempo que proporciona una ciencia sólida.
El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencia espacial del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, mirará más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar.