Astronomowie wykorzystali nowe oraz archiwalne obserwacje Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i odkryli parę wodną w atmosferze Ganimedesa, największego księżyca Jowisza.
Ganimedes jest największym księżycem i dziewiątym co do wielkości obiektem Układu Słonecznego. W swoim oceanie może zawierać więcej wody niż wszystkie oceany Ziemi. Temperatury na Ganimedesie są jednak tak niskie, że woda na jego powierzchni zamarza. Sam ocean natomiast znajduje się około 160 kilometrów pod skorupą księżyca.
Choć lód na powierzchni Ganimedesa jest twardy jak skała, deszcz naładowanych cząstek pochodzących ze Słońca pozwala, aby w godzinach południowych zamienić go w parę wodną. Pierwsze dowody na faktyczne zachodzenie tego procesu znaleziono dzięki analizie spektroskopowych obserwacji zorzy polarnej na Ganimedesie, które są prowadzone przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a (HST) od dwóch dekad.
Zorze wykorzystywane są do śledzenia obecności tlenu, który z kolei można powiązać z występowaniem cząsteczek wody. Woda ta nie pochodzi z oceanu Ganimedesa, który znajduje się zbyt głęboko pod powierzchnią. Odkryta przez naukowców para wodna pojawia się w atmosferze tego księżyca w momencie, gdy lód z jego powierzchni sublimuje, czyli zmienia postać z ciała stałego na gaz, z pominięciem fazy ciekłej.
W 1998 roku instrument o nazwie Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) na HST wykonał pierwsze zdjęcia Ganimedesa w ultrafiolecie (UV). Obrazy te można zobaczyć poniżej. Widać na nich kolorowe wstęgi naelektryzowanego gazu zwane pasmami zorzowymi. Zdjęcia te dostarczyły dowodów na to, że Ganimedes ma słabe pole magnetyczne.
Ganimedes widziany w ultrafioletowych filtrach wyśrodkowanych na długościach fali 1356 i 1304 angstremów. Źródło: NASA, ESA, Lorenz Roth (KTH)
Zdjęcia te wykazują tak podobieństwa, jak różnice. W czasach, gdy obserwacje te zostały wykonane, podobieństwa między powyższymi obrazami tłumaczono obecnością tlenu cząsteczkowego. Różnice natomiast były wyjaśniane obecnością tlenu atomowego, który w jednym z zastosowanych filtrów jest bardziej widoczny niż tlen cząsteczkowy.
Zmierzeniem ilości atomowego tlenu na Ganimedesie zainteresował się Lorenz Roth z Królewskiego Instytutu Technologicznego KTH w Sztokholmie, realizujący program badawczy, który wspiera misję kosmiczną NASA Juno. Roth wykonał nowe obserwacje spektroskopowe Ganimedesa w ultrafiolecie za pomocą instrumentu Cosmic Origins Spectrograph (COS) na HST, a następnie przeprowadził analizę widm uzyskanych za pomocą COS i archiwalnych obrazów pochodzących ze STIS, wykonanych w latach 1998 i 2010. Ku zaskoczeniu grupy badawczej Rotha i w przeciwieństwie do pierwszych interpretacji danych z roku 1998, naukowcy odkryli, że tlenu atomowego w atmosferze Ganimedesa praktycznie nie ma wcale. To oznaczało konieczność poszukiwania innego wyjaśnienia różnic między obrazami zorzy polarnej widzianej w zastosowanych filtrach UV.
Wyjaśnienie zostało znalezione po analizie rozmieszczenia zórz na badanych zdjęciach i zbadaniu korelacji ich lokalizacji ze zmianami temperatury na powierzchni Ganimedesa w czasie dnia. Zmiany te są bardzo duże, a do tego w czasie lokalnego południa, w pobliżu księżycowego równika może stać się na tyle ciepło, aby umożliwić lodowej powierzchni uwalnianie do atmosfery niewielkich ilości cząsteczek wody w procesie ucieczki termicznej. Natychmiast powiązano to z faktem, że właśnie w równikowych rejonach Ganimedesa można dostrzec największe różnice między obrazami UV, wnioskując o obecności pary wodnej w tych miejscach.
Odkrycie pary wodnej na Ganimedesie dodatkowo zwiększa oczekiwania względem nadchodzącej misji Europejskiej Agencji Kosmicznej JUICE, której nazwa jest skrótem od JUpiter ICy moons Explorer. JUICE to pierwsza duża misja w programie ESA Cosmic Vision (Kosmiczna Wizja) 2015–2025. Planowana do startu w 2022 roku i dotarcia do Jowisza w 2029 roku, JUICE spędzi co najmniej trzy lata obserwując Jowisza i jego trzy największe księżyce, ze szczególnym uwzględnieniem Ganimedesa. Ganimedes został zakwalifikowany do szczegółowych badań ponieważ zapewnia naturalne laboratorium do analizy natury, ewolucji i potencjalnej możliwości zamieszkania światów lodowych oraz z powodu roli, jaką odgrywa w układzie księżyców Galileusza.
Aktualnie Ganimedesowi przygląda się misja NASA Juno, która niedawno przesłała nowe zdjęcia tego księżyca:
Zdjęcie Ganimedesa wykonane kamerą JunoCam podczas przelotu misji Juno nad Ganimedesem w dniu 7. czerwca 2021 r. Źródło: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS
Zrozumienie układu księżyców Jowisza i poznanie jego historii, od powstania do możliwego pojawienia się środowisk nadających się do zamieszkania, pozwoli lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują gazowe olbrzymy i ich księżyce. Badania te mogą też dać wgląd w możliwości pojawienia się życia w układach egzoplanetarnych podobnych do Jowisza i jego księżyców.
Więcej informacji:
- Publikacja „A sublimated water atmosphere on Ganymede detected from Hubble Space Telescope observations”, Roth i in, 26 July 2021, Nature Astronomy.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna Ganimedesa z Jowiszem na drugim planie. Źródło: ESA / Hubble, M. Garlick, A. Anpilogov