L’hidrogen triatòmic té una semivida de 150 segons a l’aurora infraroja de Júpiter

Planetologia: Jonathan Nichols és professor d’aurores planetàries a la School of Physics & Astronomy de la University of Leicester. És l’autor primer i corresponsal d’un article a Nature Communications sobre la dinàmica de l’aurora infraroja de Júpiter. En termes generals, les emissions aurorals d’un planeta són un indici de les interaccions en la seva magnetosfera i alta atmosfera. En el cas dels planetes gegants del Sistema Solar Exterior, són especialment rellevants en termes energètics les aurores que resulten de l’emissió de l’ió triatòmic de l’hidrogen (H₃⁺). Nichols et al. han fet mà d’observacions d’aquesta emissió auroral infraroja obtingudes pel James Webb Space Telescope (JWST), analitzant-ne la variabilitat a escales temporals que arriben a l’ordre de segons. També tenen en compte les observacions de les emissions d’ultraviolat que simultàniament ha recollit el Hubble Space Telescope (HST) per deduir que la semivida de l’ H₃⁺ auroral és de 150 segons. Aquest H₃⁺ auroral no pot radiar de forma eficient la calor dipositada per la precipitació auroral explosiva. Les imatges combinades del JWST i HST indiquen que la radiació de H₃⁺ és particularment eficient en una regió activa del crepuscle vespertí jovià, on no té la companyia d’emissions ultraviolades. En la regió auroral del crepuscle matutí observen polsos aurorals que es mouen ràpidament cap a l’est. També constaten pulsacions aurorals que es propaguen ràpidament al llarg de la cua de la petjada de Io, el satèl·lit galileà més proper al planeta. Nichols consideren que totes aquestes observacions permeten deduir una sèrie d’informacions al voltant de la magnetosfera i de la ionosfera de Júpiter.

Imatges representatives de les emissions de catió triatòmic d’hidrogen auroral en el pol nord de Júpiter obtingudes per la càmera d’infraroig proper (NIRCam) del James Webb Space Telescope

Les aurores jovianes

Les emissions aurorals es produeixen quan partícules energètiques carregades elèctricament accelerades en la magnetosfera d’un planeta impacten amb les capes altes de l’atmosfera, dipositant grans quantitats d’energia a través de col·lisions amb molècules atmosfèriques. D’aquesta manera, la localització i temporització de les emissions aurorals posen de manifest els processos energètics en la magnetosfera que condueixen a l’acceleració de partícules.

La qüestió del balanç energètic en les atmosferes dels planetes gegants del Sistema Solar Exterior dista molt d’ésser resolta. La temperatura de l’atmosfera superior de Júpiter, Saturn, Urà o Neptú és molt més elevada del que hom esperaria atenen a la radiació solar rebuda. La discrepància és de diversos centenars de kèlvins. Alguns pensen que la deposició energètica auroral participaria en aquest escalfament ‘endògen’.

A Júpiter la precipitació auroral energètica conduiria a la ionització d’hidrogen molecular diatòmic (H₂) formant-hi el catió dihidrogen (H₂⁺), que en reaccionar amb H₂ forma H₃⁺. A Júpiter la turbopausa o homopausa, que marca l’altura màxima hom domina la barreja turbulenta de l’atmosfera, es troba a uns 385 km de fondària. Per damunt de l’homopausa el H₃⁺ és destruït en reaccionar amb electrons. La semivida del H₃⁺ depèn de la taxa de recombinació dissociativa, la qual alhora varia segons la densitat d’electrons ionosfèrics, i per tant de la pròpia precipitació auroral. Diverses estimacions prèvies discrepen sobre aquesta semivida, situant-la les de la banda baixa en 4 segons i les de la banda alta en milers de segons. El H₃⁺ actuaria com un refrigerador en l’atmosfera superior, amb una emissió termal ro-vibracional forta en la banda de l’infraroig proper (NIR). Aquesta emissió termal dependria de la densitat i de la temperatura de H₃⁺. En condicions d’equilibri termodinàmic local cada molècula de H₃⁺ radia 0,5-5·10^-20 W. Això implicaria que vora la meitat de l’escalfament instantani de gas provocat per la precipitació auroral seria radiat pel H₃⁺.

Fa moltes dècades que hom disposa d’observacions sobre les emissions jovianes de H₃⁺ obtingudes per telescopis situats en la superfície terrestre. Ara bé, aquestes observacions integren imatges en finestres de més de 10 minuts. Una resolució típica de 0,5 segons d’arc es tradueix en 1500 km en les condicions més favorables (quan Júpiter es troba en oposició al Sol). Amb l’ús d’òptica adaptativa s’ha pogut augmentar la resolució a 0,2 segons d’arc i a 45-100 segons.

En l’actualitat hom disposa de la missió orbital Juno. El seu instrument de banda L, JIRAM, ha aconseguit imatges d’emissions de H₃⁺ d’una resolució de 100 km. Ara bé, les observacions de Juno cobreixen en cada imatge tan sols una petita porció de la regió auroral, que en total fa 50.000 km d’ample. Quan Juno es troba en el punt de màxim acostament a Júpiter (perijove), pot prendre una imatge en cada rotació de 30 segons. Això ha estat valuós per rastrejar la petjada auroral que genera Ganimedes.

Les emissions d’ultraviolat llunyà responen a l’excitació d’hidrogen atòmic i diatòmic per l’impacte d’electrons aurorals. L’instrument STIS del Hubble Space Telescope ha recollit aquestes emissions de Júpiter.

Pel que fa a les emissions d’infraroig proper de H₃⁺, Nichols et al. fan ús d’observacions obtingudes per la NIRCam del JWST sobre el pol nord de Júpiter. La resolució espacial és de 190 km, i la temporal de 3 segons.

La morfologia de l’aurora infraroja de Júpiter

L’emissió principal (ME) de l’aurora infraroja boreal de Júpiter és un anell d’aurora que envolta el pol magnètic. Aquest anell queda separat de la regió Swirl en el cantó corresponent a l’albada per la regió polar fosca (DPR). Hi segueix un regió activa corresponent al sector de migdia (NAR), consistent en un filament auroral polar. En l’altre extrem hi ha la regió activa del capvespre (DAR).

Una altra estructura remarcable és la cua de la petjada d’Io (IFP), que reflecteix magnèticament la distància orbital d’Io.

La temporalitat de l’aurora infraroja de Júpiter

La regió de l’emissió principal encarada al pol és marcada per variacions transitòries. Encara més variable és la DAR, amb una radiància mitjana de 170 ± 30 μW m⁻² sr⁻¹ i un gradient màxim de 60 μW m⁻² sr⁻¹ min⁻¹.

Nichols et al. defineixen com a extinció auroral les caigudes sobtades de radiància en regions localitzades per un factor de 2 durant 10 segons.

En la regió DPR apareixen polsos auroral de ràpid desplaçament cap a l’est, amb amplituds de 3  μW m⁻² sr⁻¹ i velocitat de 0,19° de latitud per segon (60 km/s, és a dir 20 vegades superior a la rotació planetària). Els polsos tenen una amplada de 30-40 segons, i van separats els uns dels altres per intervals vora 15° de latitud, amb període de 1,6 minuts.

En la cua IFP hi ha pulsacions longitudinals ràpides. Va a velocitats de 67 km/s.

Emissions infraroges i emissions ultraviolades

La comparació simultània d’imatges infraroges del JWST i imatges ultraviolades del HST mostren diferències regionals entre una i l’altra. La DPR és molt més fosca en la banda ultraviolada. La DAR no té una correspondència en la franja ultraviolada.

La comparació d’imatges ofereix la possibilitat de calcular en flamarades les corbes de llum de l’H₂ i de l’H₃⁺. Així estimen una semivida de l’H₃⁺ de 150 ± 4 segons.

L’aurora infraroja en el balanç energètic de l’atmosfera joviana

La morfologia de les aurores de H₃⁺ indica una variabilitat superior a l’estimada en observacions prèvies. Si la semivida mitjana és de 150 segons, en casos d’extinció es pot reduir a 29 segons.

El pic d’emissions de H₃⁺ tindria lloc a una fondària de 500 km. Nichols et al. fan una estimació de la densitat d’electrons ionosfèrics aurorals en aquest nivell: 5.8 × 10⁴ cm⁻³.

La semivida de 150 segons es massa breu com perquè H₃⁺ pugui radiar efectivament l’energia dipositada per la precipitació auroral. Nichols et al. avaluen que la radiació d’aquesta energia només seria del 15%.

L’emissió DAR té un flux superior a l’energia de la precipitació. Això indica que a la ionosfera auroral joviana tenen lloc altres processos. Com a possibles fonts alternatives de calor Nichols et al. contemplen l’arrossegament iònic i l’escalfament de Joule.

Lligams:

- Dynamic infrared aurora on Jupiter. J. D. Nichols, O. R. T. King, J. T. Clarke, I. de Pater, L. N. Fletcher, H. Melin, L. Moore, C. Tao & T. K. Yeoman. Nature Communications 16: 3907 (2025).