Jupiter' s lebhaft leuchtende Polarlichter haben eine mysteriöse Energiequelle

Zum ersten Mal hat die Juno-Raumsonde der NASA Elektronen entdeckt, die mit bis zu 400.000 Volt in die Jupiteratmosphäre abgefeuert werden. Das ist eine enorme Menge an Energie, die die leuchtenden Polarlichter des Planeten entstehen lässt. Diese unglaublich hohen Spannungen werden jedoch nur gelegentlich entdeckt – und das wirft Fragen darüber auf, was genau hinter einigen der lebendigsten Leuchten des Planeten an den Polen steckt.

Die Entdeckung, die in einer heute in Nature veröffentlichten Studie detailliert beschrieben wurde, wurde durch die Instrumente an Bord von Juno ermöglicht, die seit etwas mehr als einem Jahr Jupiter umkreist und an den Polen vorbeizieht näher als jedes andere Raumschiff zuvor. Es bestätigt zum Teil, was Astronomen erwartet haben, aber es zeigt auch, dass sich Jupiters Polarlichter anders verhalten als Polarlichter auf der Erde — durch Prozesse, die wir noch nicht vollständig verstehen.

Polarlichter entstehen sowohl auf der Erde als auch auf Jupiter, wenn sich geladene Teilchen wie Elektronen entlang der Magnetfeldlinien eines Planeten drehen, in die Atmosphäre gelangen und ein Leuchten erzeugen. Auf der Erde werden die intensivsten Polarlichter durch Sonnenstürme verursacht, die auftreten, wenn hochenergetische Partikel, die von der Sonne ausgestoßen werden, auf unseren Planeten regnen. Wenn diese Partikel in die Atmosphäre gelangen, interagieren sie mit Gasen und lassen den Himmel an den Polen rot, grün und blau leuchten. Auf Jupiter werden Polarlichter von Partikeln gebildet, die hauptsächlich vom Io, dem Mond des Planeten, ausgestoßen werden. Io’s Vulkane spucken riesige Mengen an Schwefel und Sauerstoff in den Weltraum und laden Jupiters Magnetfeld mit Partikeln.

Auf beiden Planeten werden Elektronen entlang der Magnetfeldlinien durch elektrische Ströme beschleunigt — ähnlich dem elektrischen Strom, der durch die Steckdose fließt, wenn Sie Ihr Telefonladegerät anschließen. Auf der Erde ist der Sonnenwind die Stromquelle und feuert Elektronen mit bis zu 30.000 Volt ab. (Im Vergleich dazu ist Ihre Steckdose in den USA 110-120 Volt. Auf Jupiter ist es die superschnelle Rotation des Planeten, die als gigantischer elektrischer Generator fungiert, so dass Astronomen erwarteten, dass Elektronen auch auf Jupiter durch sehr hohe Spannungen abgefeuert werden. Aber sie hatten das noch nie zuvor beobachtet, also gab Juno Astronomen diese Gelegenheit zum ersten Mal.

„Wir sind noch nie direkt über die Pole des Jupiter geflogen“, sagt Jonathan Nichols, Professor am Institut für Physik und Astronomie der Universität Leicester, der nicht an der Studie teilgenommen hat. „Juno erzählt uns also zum ersten Mal von diesen Partikeln.“

Das Raumschiff befindet sich in einer extrem elliptischen Umlaufbahn um Jupiter und passiert alle 53 Tage sehr nahe an den Polen. Um Jupiters Polarlichter zu untersuchen, wurde die Sonde mit mehreren Instrumenten ausgestattet, darunter dem Juno Energetic Particle Detector Instrument (JEDI). Die Sonde bewegt sich mit etwa 30 Meilen pro Sekunde über die Pole, so dass die Messungen in Sekundenschnelle erfolgen müssen, sagt Studien-Co-Autor Barry Mauk, Lead für JEDI und Wissenschaftler am Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, das das Instrument herstellte. „Das war eine sehr große Herausforderung“, sagt Mauk gegenüber The Verge. „Wir sind sehr stolz darauf, dass wir das geschafft haben.“

Bei seinem ersten Vorbeiflug über den Polarlichtern entdeckte Juno jedoch nicht die hohen Spannungen, die Astronomen erwarteten. „Wir waren sehr überrascht“, sagt Mauk. In den folgenden Vorbeiflügen entdeckte das Raumschiff schließlich die Signatur von Elektronen, die mit etwa der gleichen Energie — bis zu 400.000 Volt – in die Atmosphäre abgefeuert wurden.

Das Merkwürdige ist jedoch, dass diese hohen Spannungen nicht immer vorhanden sind, sagt Mauk. Sie werden nur gelegentlich gesichtet. Und manchmal entdeckt Juno Elektronen, die mit allen möglichen Energien in die Atmosphäre abgefeuert werden, auf scheinbar zufällige Weise. Was diese zufällige Beschleunigung von Elektronen bei verschiedenen Energien verursacht — die sehr helle Polarlichter erzeugen – ist ein Rätsel, sagt Mauk.

„Es scheint, dass das Bild nicht ganz so klar ist, wie wir dachten“, sagt Nichols The Verge. „Ich bin mir nicht ganz sicher, wie man Polarlichter mit diesem speziellen Mechanismus so hell macht. Aber das ist etwas, was Juno in Zukunft betrachten wird.“

Die Sonde wird weiter an Jupiters Polen vorbeifliegen, und jedes Mal, wenn sie dies tut, sammelt sie Daten. „Jedes Mal, wenn wir eine Begegnung haben, sehen wir andere Dinge“, sagt Mauk. Mauk hofft daher, dass die nächsten Beobachtungen den Astronomen helfen werden, die Fragen zu beantworten, warum die Polarlichter so variabel sind und warum sie manchmal stark und manchmal schwach sind.

Ziel ist es, nicht nur die physikalischen Prozesse hinter Polarlichtern auf dem größten Planeten des Sonnensystems zu verstehen. Andere Objekte im Universum – wie Pulsare, Exoplaneten und weiße Zwerge — haben ebenfalls Magnetfelder und beschleunigen Partikel auf eine Weise, die der von Jupiter ähnelt. Aber Jupiter ist in unserem Hinterhof, also ist es tatsächlich zugänglich. „Jupiter ist nicht nur an sich selbst interessiert, sondern sagt uns auch viel über ähnliche astrophysikalische Körper aus, die wir mit Raumfahrzeugen nicht erreichen können“, sagt Nichols.

Und Juno enthüllt bereits, dass unbekannte Prozesse am Gasriesen am Werk sind. „Das ist für mich sehr aufregend, weil es bedeutet, dass wir viel mehr Arbeit haben, um herauszufinden, was genau vor sich geht“, sagt Nichols. „Jupiter wird seine Geheimnisse nicht so leichtfertig preisgeben, wie es scheint.“