VISTA CON OSSERVAZIONI SIMULTANEE DI NUSTAR, JUNO E XMM-NEWTON

Aurora record su Giove, mai così energetica

È noto che le aurore di Giove emettono raggi X a bassa energia. Un nuovo studio conferma ora l’ipotesi che dalle aurore ai poli del gigante gassoso vengono emessi anche raggi X a frequenza più alta, e spiega perché trent’anni fa tali emissioni sono sfuggite a un’altra missione, Ulysses. Tutti i dettagli su Nature Astronomy

     14/02/2022
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In questa immagine della missione Juno della Nasa è mostrato l’emisfero meridionale di Giove. Nuove osservazioni di NuStar della Nasa hanno rivelato che le aurore nei pressi di entrambi i poli del pianeta emettono raggi X ad alta energia, che vengono prodotti quando le particelle accelerate entrano in collisione con l’atmosfera di Giove. Crediti: Kevin M. Gill, Nasa/Jpl-Caltech/SwRi/Msss

Nonostante gli scienziati stiano studiando Giove da vicino fin dagli anni ’70, il gigante gassoso è ancora pieno di misteri. Nuove osservazioni dell’osservatorio spaziale NuStar della Nasa hanno ora rivelato emissioni X ad alta energia in prossimità dei poli del pianeta. La scoperta è stata pubblicata su Nature Astronomy e ha risolto un mistero vecchio di trent’anni: perché Ulysses, la missione congiunta Esa-Nasa che ha sorvolato Giove nel lontano 1992, non ha rilevato raggi X.

I raggi X sono una forma di “luce” la cui energia è molto più elevata rispetto a quella della luce visibile. Gli osservatori spaziali Chandra della Nasa e Xmm-Newton dell’Esa hanno entrambi studiato i raggi X a bassa energia emessi dalle aurore di Giove: spettacolari emissioni di luce in prossimità dei poli nord e sud del pianeta che vengono prodotti quando i vulcani di Io, l’infernale luna di Giove, emettono particelle ionizzate (atomi privati dei loro elettroni) che poi cadono sul gigante gassoso. Il potente campo magnetico di Giove accelera queste particelle e le incanala verso i poli del pianeta, dove si scontrano con la sua atmosfera e rilasciano energia sotto forma di radiazione X.

In base alle osservazioni di Juno – la sonda della Nasa arrivata su Giove nel 2016 – anche gli elettroni emessi da Io sono accelerati dal campo magnetico del pianeta. I ricercatori sospettavano che quelle particelle dovessero produrre raggi X di energia ancora più elevata di quelli osservati da Chandra e Xmm-Newton, e NuStar (abbreviazione di Nuclear Spectroscopic Telescope Array) è il primo osservatorio a confermare tale ipotesi.

«È piuttosto difficile per i pianeti generare raggi X nell’intervallo rilevato da NuStar», afferma Kaya Mori, astrofisica della Columbia University e prima autrice del nuovo studio. «Ma Giove ha un enorme campo magnetico e ruota molto velocemente. Queste due caratteristiche significano che la magnetosfera del pianeta agisce come un gigantesco acceleratore di particelle, ed è questo che rende possibili queste emissioni di energia più elevata».

I ricercatori hanno dovuto affrontare molteplici ostacoli per riuscire a rivelarle con NuStar, in primis perché le emissioni a più alta energia sono significativamente più deboli di quelle a energia più bassa. Secondo il nuovo studio, la soluzione all’enigma del mancato rilevamento da parte di Ulysses risiede nel meccanismo di produzione dei raggi X ad alta energia. La radiazione proviene sì dagli elettroni energetici che Juno può rilevare con il suo Jovian Auroral Distributions Experiment (Jade) e lo Jupiter Energetic-particle Detector Instrument (Jedi), ma esistono molteplici meccanismi che possono far sì che le particelle producano tale radiazione. Senza un’osservazione diretta della radiazione emessa dalle particelle, è quasi impossibile sapere quale sia il meccanismo responsabile.

Bremsstrahlung prodotto da un elettrone altamente energetico deflesso dal campo elettrico di un nucleo atomico. Crediti: Wikimedia Commons

In questo caso, il colpevole è il meccanismo di emissione chiamato bremsstrahlung. Quando gli elettroni in rapido movimento incontrano atomi carichi nell’atmosfera di Giove, vengono attratti dagli atomi come magneti. Così, decelerano rapidamente e perdono energia sotto forma di raggi X ad alta energia, un po’ come accade per un’auto, che per rallentare trasferisce energia al suo sistema di frenata; non a caso, bremsstrahlung significa “radiazione di frenamento”, in tedesco.

Ciascun meccanismo di emissione di radiazione produce un profilo di luce leggermente diverso. Utilizzando studi consolidati sui profili di luce emessi con il meccanismo di bremsstrahlung, i ricercatori hanno dimostrato che i raggi X dovrebbero diventare significativamente più deboli a energie più elevate, anche nel raggio di rilevamento di Ulysses. «Una semplice estrapolazione dei dati NuStar, mostra che Ulysses avrebbe dovuto essere in grado di rilevare i raggi X su Giove», spiega Shifra Mandel della Columbia University, coautore del nuovo studio. «Ma abbiamo costruito un modello che include l’emissione di bremsstrahlung e quel modello non solo corrisponde alle osservazioni NuStar, ma ci mostra che a energie ancora più elevate, i raggi X sarebbero stati troppo deboli per essere rilevati da Ulysses».

Sulla Terra, gli scienziati hanno rilevato raggi X nelle aurore terrestri con energie ancora più elevate di quelle che NuStar ha rilevato su Giove. Ma si tratta di emissioni estremamente deboli – molto più deboli di quelle di Giove – che possono essere individuate solo da piccoli satelliti o palloni ad alta quota che si avvicinano tantissimo ai luoghi nell’atmosfera che generano quei raggi X. Allo stesso modo, l’osservazione di queste emissioni nell’atmosfera di Giove richiederebbe uno strumento a raggi X molto vicino al pianeta, con una sensibilità maggiore di quella degli strumenti trasportati da Ulysses negli anni ’90.

NuStar ha rilevato raggi X ad alta energia dalle aurore vicino ai poli nord e sud di Giove. NuStar non è in grado di individuare la sorgente dell’emissione con grande precisione, ma può scoprire che la luce proviene da qualche parte nelle regioni di colore viola. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

«La scoperta di queste emissioni non chiude il caso; sta aprendo un nuovo capitolo», conclude William Dunn, ricercatore presso la University College London e coautore del lavoro. «Abbiamo ancora tante domande su queste emissioni e le loro sorgenti. Sappiamo che i campi magnetici rotanti possono accelerare le particelle, ma non comprendiamo appieno come queste particelle raggiungano velocità così elevate su Giove. Quali processi fondamentali producono particelle così energetiche?».

Gli scienziati sperano inoltre che lo studio delle emissioni X di Giove possa aiutarli a comprendere oggetti ancora più estremi nel nostro universo. NuStar in genere studia oggetti al di fuori del Sistema solare, come stelle esplosive e dischi di gas caldo accelerati dalla gravità di enormi buchi neri. Il nuovo studio è il primo esempio del confronto delle osservazioni di NuStar con i dati di Juno, che ha consentito ai ricercatori di testare direttamente le loro idee su ciò che crea questi raggi X ad alta energia. Forse, studiando Giove, i ricercatori potrebbero anche riuscire a svelare alcuni aspetti di sorgenti lontane alle quali non possiamo avvicinarci, come magnetar, stelle di neutroni e nane bianche.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Observation and origin of non-thermal hard X-rays from Jupiter” di Kaya Mori, Charles Hailey, Gabriel Bridges, Shifra Mandel, Amani Garvin, Brian Grefenstette, William Dunn, Benjamin J. Hord, Graziella Branduardi-Raymont, John Clarke, Caitriona Jackman, Melania Nynka & Licia Ray