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Com suas câmeras infravermelhas sensíveis e espectrômetro de alta resolução, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) está revelando novos segredos dos satélites galileanos de Júpiter, em particular Ganimedes, a maior lua, e Io, o mais vulcanicamente ativo.
Em duas publicações separadas, astrônomos que fazem parte do programa Early Release Science do JWST relatam a primeira detecção de peróxido de hidrogênio em Ganimedes e vapores sulfurosos em Io, ambos resultado da influência dominadora de Júpiter.
“Isso mostra que podemos fazer uma ciência incrível com o Telescópio Espacial James Webb em objetos do sistema solar, mesmo que o objeto seja realmente muito brilhante, como Júpiter, mas também quando você olha para coisas muito fracas próximas a Júpiter”, disse Imke de Pater , professora emérita de astronomia e ciência da Terra e planetária na Universidade da Califórnia, Berkeley. De Pater e Thierry Fouchet, do Observatório de Paris, são co-investigadores principais da equipe de observação do sistema solar da Early Release Science, uma das 13 equipes que receberam acesso antecipado ao telescópio.
Samantha Trumbo, bolsista de pós-doutorado 51 Pegasi b na Cornell University, liderou o estudo de Ganymede, que foi publicado em 21 de julho na revista Avanços da Ciência. Usando medições capturadas pelo espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSpec) no JWST, a equipe detectou a absorção de luz pelo peróxido de hidrogênio – H2O2 — em torno dos pólos norte e sul da lua, resultado de partículas carregadas em torno de Júpiter e Ganimedes impactando o gelo que cobre a lua.
“O JWST revelando a presença de peróxido de hidrogênio nos pólos de Ganimedes mostra pela primeira vez que partículas carregadas canalizadas ao longo do campo magnético de Ganimedes estão alterando preferencialmente a química da superfície de suas calotas polares”, disse Trumbo.
Os astrônomos argumentam que o peróxido é produzido por partículas carregadas que atingem o gelo de água congelado ao redor dos pólos e quebram as moléculas de água em fragmentos – um processo chamado radiólise – que então se recombinam para formar H2O2. Eles suspeitaram que a radiólise ocorreria principalmente em torno dos pólos de Ganimedes porque, ao contrário de todas as outras luas do nosso sistema solar, ela possui um campo magnético que direciona as partículas carregadas para os pólos.
“Assim como o campo magnético da Terra direciona as partículas carregadas do sol para as latitudes mais altas, causando a aurora, o campo magnético de Ganimedes faz o mesmo com as partículas carregadas da magnetosfera de Júpiter”, acrescentou ela. “Essas partículas não apenas resultam em auroras em Ganimedes, mas também impactam a superfície gelada.”
Trumbo e Michael Brown, professor de astronomia planetária na Caltech, onde Trumbo recentemente recebeu seu Ph.D., já haviam estudado o peróxido de hidrogênio em Europa, outro dos quatro satélites galileanos de Júpiter. Em Europa, no entanto, o peróxido foi detectado em grande parte da superfície, talvez, em parte, porque não há campo magnético para proteger a superfície das partículas em movimento rápido que giram em torno de Júpiter.
“Este é provavelmente um processo realmente importante e generalizado”, disse Trumbo. “Essas observações de Ganimedes fornecem uma janela importante para entender como essa radiólise da água pode conduzir a química em corpos gelados em todo o sistema solar externo, incluindo nas vizinhas Europa e Calisto (a quarta lua galileana)”.
“Isso ajuda a entender como funciona a chamada radiólise e que, de fato, funciona como as pessoas esperavam, com base em experimentos de laboratório na Terra”, disse de Pater.
ambiente sulfuroso de Io
Em um segundo artigo, aceito para publicação na revista JGR: Planetas, uma publicação da American Geophysical Union, de Pater e seus colegas relatam novas observações do Webb de Io que mostram várias erupções em andamento, incluindo um brilho em um complexo vulcânico chamado Loki Patera e uma erupção excepcionalmente brilhante em Kanehekili Fluctus. Como Io é a única lua vulcanicamente ativa no sistema solar – o empurrão e a atração gravitacional de Júpiter a aquece – estudos como este dão aos cientistas planetários uma perspectiva diferente da que pode ser obtida estudando vulcões na Terra.
Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram vincular uma erupção vulcânica – em Kanehekili Fluctus – a uma linha de emissão específica, a chamada linha “proibida”, do gás monóxido de enxofre (SO).
Dióxido de enxofre (SO2) é o principal componente da atmosfera de Io, proveniente da sublimação do SO2 gelo, bem como erupções vulcânicas em curso, semelhantes à produção de SO2 por vulcões na Terra. Os vulcões também produzem SO, que é muito mais difícil de detectar do que SO2. Em particular, a linha de emissão proibida de SO é muito fraca porque o SO está em concentrações tão baixas e é produzido apenas por um curto período de tempo após ser excitado. Além disso, as observações só podem ser feitas quando Io está na sombra de Júpiter, quando é mais fácil ver os gases SO brilhantes. Quando Io está na sombra de Júpiter, o SO2 gás na atmosfera de Io congela em sua superfície, deixando apenas SO e SO vulcânico recém-emitido2 gás na atmosfera.
“Essas observações com Webb mostram pela primeira vez que o SO realmente veio de um vulcão”, disse de Pater.
De Pater fez observações anteriores de Io com o Telescópio Keck no Havaí e encontrou baixos níveis da emissão proibida de SO em grande parte da lua, mas ela não conseguiu vincular os pontos de acesso SO especificamente a um vulcão ativo. Ela suspeita que muito deste SO, assim como o SO2 visto durante um eclipse, vem dos chamados vulcões furtivos, que liberam gás, mas não poeira, o que os tornaria visíveis.
Vinte anos atrás, de Pater e sua equipe propuseram que esse estado excitado de SO só poderia ser produzido em fontes vulcânicas quentes, e que a tênue atmosfera permitia que esse estado permanecesse por tempo suficiente – alguns segundos – para emitir a linha proibida . Normalmente, os estados excitados que produzem essa emissão são rapidamente amortecidos por colisões com outras moléculas na atmosfera e nunca vistos. Somente em partes da atmosfera onde o gás é escasso tais estados excitados duram o suficiente para emitir linhas proibidas. Os verdes e vermelhos das auroras da Terra são produzidos por transições proibidas de oxigênio na tênue atmosfera superior.
“A ligação entre o SO e os vulcões está de acordo com uma hipótese que tínhamos em 2002 para explicar como pudemos ver a emissão de SO”, disse ela. “A única maneira de explicar essa emissão é se o SO é excitado na abertura vulcânica a uma temperatura de 1.500 Kelvin ou mais, e sai nesse estado excitado, perde seu fóton em alguns segundos, e esse é o emissão que vemos. Portanto, essas observações são as primeiras que realmente mostram que esse é o mecanismo mais provável para vermos esse SO.”
Webb observará Io novamente em agosto com o NIRSpec. A próxima observação e a anterior, que ocorreu em 15 de novembro de 2022, foram feitas quando Io estava na sombra de Júpiter, de modo que a luz refletida do planeta não ofuscou a luz vinda de Io.
De Pater observou, também, que o brilho de Loki Patera era consistente com o período observado de erupções no vulcão, que aumentam, em média, a cada 500 dias terrestres, com o brilho durando alguns meses. Ela determinou isso porque não estava brilhante quando observou a lua com Keck em agosto e setembro de 2022, nem estava brilhante quando outro astrônomo a observou de abril a julho de 2022. Somente o JWST capturou o evento.
“As observações do Webb mostraram que, na verdade, as erupções começaram e que era muito mais brilhante do que vimos em setembro”, disse ela.
Enquanto De Pater se concentra principalmente no sistema joviano – seus anéis, pequenas luas e as luas maiores Ganimedes e Io – ela e outros membros da equipe científica inicial de cerca de 80 astrônomos também estão usando o JWST para estudar os sistemas planetários de Saturno. , Urano e Netuno.
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