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Drei der massivsten Monde des Jupiter haben in der Atmosphäre des Planeten Auroralexplosionen erzeugt, aber alle Fußabdrücke, die durch die vierte entstanden sind, blieben eine Herausforderung. Ein neuer Blick auf die Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA hat vorläufige Anzeichen für geladene Teilchen aus dem vierten dieser größten Monde, Callisto, ergeben. Bisher wurden nur zwei potentielle Fußabdrücke entdeckt, aber sie ebnen den Weg für mehr Fußabdrücke, die Einblick in das Magnetfeld des riesigen Planeten geben könnten.

Während das rotierende Magnetfeld von Jupiter an den vier großen Monden des Planeten, den Galileischen Monden, vorbeifegt, reist Energie durch die Feldlinien, die sie mit dem Planeten verbinden. Callistos aurorale Signatur ist verborgen geblieben, weil sie so weit vom Gasriesen abfährt, dass ihre geladenen Teilchen den Planeten in höheren Breitengraden nahe der Polarregion treffen, wo Jupiters primäres Polarlicht aufleuchtet.

Durch die Untersuchung von Archivbildern, die 2007 von Hubble aufgenommen wurden, konnte ein Team von Astronomen Kallistos Unterschrift zum ersten Mal finden. Sie suchten nach Zeiten, in denen die Haupt-Auroras des Planeten dunkler oder in niedrigere Breiten verschoben waren, wodurch der Fußabdruck des Mondes durchscheinen konnte. In fünf Monaten Daten fanden sie ein einzelnes Bild, auf dem Callistos Aurorasignatur zu sehen war.

"Zum Glück wurde Callisto an diesem Tag nicht von Jupiter in den Schatten gestellt, und wir konnten ein Abdruck-ähnliches Merkmal in der Serie von Bildern erkennen", sagte Dolon Bhattacharyya, Leitautor der neuen Forschung und Wissenschaftler an der Boston University ProfoundSpace.org per E-Mail.

Da ein einzelnes Bild nur begrenzte Daten liefert, hofft Bhattacharyya, dass die Entdeckung ihres Teams den Weg für zukünftige Fußabdruckfunde für Callisto ebnet.

"Wie eine Saite zupfen"

Auf der Erde passieren atemberaubende Polarlichter, wenn das Magnetfeld des Planeten geladene Teilchen, die von der Sonne zu seinen Polen fließen, trichtert. Ähnliche Polarlichter treten auf dem Jupiter auf, obwohl die atmosphärischen Anzeigen im Gegensatz zur Erde permanent sind, was zu kreisförmigen Merkmalen führt, die weniger als 1000 Kilometer breit sind.

Aber Jupiter hat auch kleinere Polarlichter, die durch die Wechselwirkungen des Planeten mit seinen vier größten Monden geschaffen wurden: Europa, Io, Ganymed und Callisto. Diese kleinen Polarlichter bilden sich, wenn das Magnetfeld jedes Mondes mit dem des Planeten interagiert.

Obwohl der Jupiter weitaus massiver ist als die Erde, dreht er sich einmal alle 10 Stunden um seine Achse und nicht wie die der Erde 24, wobei er sein Magnetfeld mitfegt. Die Monde reisen schneller um den Gasriesen herum, wobei Callisto die Reise etwa alle 17 Tage unternimmt, verglichen mit der 27-tägigen Reise unseres eigenen Mondes um die Erde. Während die natürlichen Satelliten den Planeten umkreisen, fegt Jupiters Magnetfeld immer wieder an ihnen vorbei.

"Diese Monde wirken dann als Leiter in einer sich schnell ändernden Magnetfeldumgebung und verhalten sich wie eine Batterie mit positivem Potenzial an einem Pol und negativ am anderen", sagte Bhattacharyya. "Dies erzeugt Störungen in der Magnetfeldlinie, die sich in unmittelbarer Nähe eines bestimmten Mondes befindet."

Außerdem sind die Monde in Plasmateilchen gebadet, die von der Sonne strömen und von den Vulkanausbrüchen des Monds Io erzeugt werden.

Die vier Galileischen Monde sind alle durch magnetische Feldlinien mit dem Gasriesen verbunden. Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und dem Magnetfeld des Planeten versetzen das Feld der Monde in Schwingung, während Energie durch sie hindurchfliegt und die Elektronen in ihrer Umgebung beschleunigt.

"Der Effekt ist wie eine Saite zu rupfen", sagte Bhattacharyya.

Die Elektronen folgen den Magnetfeldlinien von ihrem Elternmond in die Jupiter-Atmosphäre, wo die geladenen Teilchen in Form von Polarlicht-Displays abgelagert werden. Je kürzer der Abstand zwischen dem Mond und dem Planeten ist, desto niedriger sind die Breitengrade, in denen die geladenen Teilchen landen. Io, als der Jupiter der großen Monde am nächsten, deponiert die Partikel, die seinen auroralen Fußabdruck am untersten Breitengrad schaffen, mit Europa und Ganymed als nächstes. Callisto, der entfernteste der vier, hinterlässt seine Spuren in den höchsten Breiten.

"Unglücklicherweise ist Jupiters Haupt-Polarlichtemission in hohen Breiten sehr aktiv und hell", sagte Bhattacharyya. "Dies macht es schwierig, einen winzigen Fußabdruck zwischen der sehr dynamischen und hellen Haupt-Polarlichtemission zu erkennen."

Im Jahr 1964 enthüllten Radioemissionen die erste dieser Einzelausstellungen - jene, die durch die Interaktion des vulkanischen Io mit dem Gasriesen entstanden. Im Jahr 2002 enthüllte das Hubble-Weltraumteleskop die auroralen Signaturen von Europa und Ganymed. Wechselwirkungen des Jupiter-Magnetfelds mit geladenen Teilchen vom Mond liefern eine wertvolle Einschränkung für den Aufbau von Modellen des Jupiter-Magnetfelds. Da Callisto der am weitesten entfernte der Monde ist, kann es einen Einblick in das Magnetfeld des Planeten in größeren Entfernungen als seine Geschwister geben. Aber die von Callisto erzeugten Auroras blieben verborgen.

Im Jahr 2007 nutzte Co-Autor John Clarke, ebenfalls an der Boston University, das Hubble Space Telescope, um die Polarlichtemission am Jupiter zu beobachten, in der Hoffnung zu verstehen, wie das dynamische Verhalten der primären Polarlichtaktivität des Planeten mit der Sonnenaktivität zusammenhängt. Im Jahr 2011 entschieden sich die Forscher, diese Bilder noch einmal zu betrachten, in der Hoffnung, Callistos flüchtigen Fußabdruck zu entdecken.

"Wir waren optimistisch, aufgrund der großen und kontinuierlichen Serie von Bildern, die über einen Zeitraum von fünf Monaten [von Februar bis Juni 2007] im Rahmen dieser Beobachtungskampagne aufgenommen wurden", sagte Bhattacharyya.

Die Forscher schlugen den Jackpot mit einem Bild vom 24. Mai 2007. Jupiters primäre Auroralmission & war "ungewöhnlich schwach", sagte Bhattacharyya, und hatte sich in niedrigere Breiten verschoben, wobei die Signatur von Callistos geladenen Teilchen durchscheinen ließ.

Ein zweites Bild wurde nur zwei Beobachtungstage später am 26. Mai gefunden, aber die Hauptemission war nicht so schwach wie die der ersten Datenreihe, und Bhattacharyya sagte, der Fußabdruck sei innerhalb eines Tages vollständig verschwunden. Diese Unterschrift wurde als wahrscheinlicher Kandidat eingestuft.

Laut Bhattacharyya ist die Signatur von Callisto heller als frühere theoretische Vorhersagen vorausgesehen hatten. Sie führte den Unterschied auf die Entdeckung einer substantiellen Ionosphäre auf Callisto durch Galileo zurück, einer dünnen, mit geladenen Teilchen beladenen Atmosphäre, die solche Vorhersagen nicht berücksichtigt hatten.

Der Einfluss des starken und dynamischen Magnetfeldes des Jupiter erstreckt sich über große Entfernungen. Keines der Raumfahrzeuge, die zum Jupiter geschickt wurden, war in der Lage, in dieser geladenen Umgebung wichtige Messungen durchzuführen, sagte Bhattacharyya. Da kommen die Monde rein.

"Wir hoffen, dass wir durch die Untersuchung des Standorts und der Variabilität der Fußabdrücke dieser galiläischen Monde in der Lage sein werden, die bestehenden Modelle für das Jupiterfeld zu aktualisieren und mehr über seine Strukturen weit weg vom Planeten zu erfahren", sagte sie.

Sie warnte jedoch, dass viele Faktoren die Helligkeit der Interaktion des Mondes beeinflussen könnten. Das bedeutet, dass ein einzelner Footprint nicht genügend Daten liefert, um feste Aussagen über Jupiter zu treffen.

Die wahre Kraft hinter der neuen Forschung ist die Einsicht in die Vorhersage zukünftiger Fußabdrücke für Callisto. Bhattacharyya sagte, dass es vorher unmöglich gewesen wäre vorherzusagen, wann der Fußabdruck von Callisto als nächstes sichtbar sein könnte. Die neuen Daten machen solche Vorhersagen jetzt möglich.

Das Juno-Raumfahrzeug der NASA wird die polare Umlaufbahn des Planeten sowohl im ultravioletten als auch im infraroten Wellenlängenbereich abbilden. Bhattacharyya sagte, dass diese Bilder verwendet werden können, um Zeiten zu jagen, in denen das Hauptauraloval schwach ist oder in niedrigere Breiten gewandert ist, was es möglich macht, Kallistos Auroralicht zu erkennen. Kombiniert mit Bildern von erdgebundenen Instrumenten erhöht dies die Chancen, mehr von den Signaturen des Mondes zu sehen.

"Da Juno in der Umlaufbahn um Jupiter ist und die Pole häufig passieren wird, wird es in der Lage sein, den Fußabdruck zu erkennen, selbst wenn Callisto von Jupiter verdeckt wird und von der Erde aus nicht sichtbar ist, was die Wahrscheinlichkeit, Callisto zu entdecken, verdoppelt Fußabdruck ", sagte Bhattacharyya.

Die Forschung wurde im Januar im Journal of Geophysical Research: Weltraumphysik veröffentlicht.