La misión NuSTAR de Caltech registra la luz de mayor energía jamás detectada desde Júpiter

Una misión ‘Small Explorer’ dirigida por Caltech y administrada por JPL en Pasadena llamada NuSTAR ha informado de observaciones que revelan la luz de mayor energía jamás detectada de Júpiter. La luz, en forma de rayos X que hasta ahora solo NuSTAR puede detectar, es también la luz de mayor energía jamás detectada en un planeta del sistema solar que no sea la Tierra.

Un artículo en la revista Nature Astronomy informa sobre el hallazgo y resuelve un misterio de décadas: por qué la misión Ulysses no vio rayos X cuando pasó por Júpiter en 1992, incluso cuando se sabe desde hace mucho tiempo que las auroras del planeta producen rayos X de baja energía. -rayo de luz.

El NuSTAR de la NASA, que significa Nuclear Spectroscopic Telescope Array, se lanzó el 13 de junio de 2012. Administrado por el JPL para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington, fue desarrollado en asociación con la Universidad Técnica Danesa y la Agencia Espacial Italiana (ASI). La óptica del telescopio fue construida por la Universidad de Columbia; el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y DTU, la Universidad Técnica de Dinamarca. La nave espacial fue construida por Orbital Sciences Corp. en Dulles, Virginia. El centro de operaciones de la misión de NuSTAR está en UC Berkeley, y el archivo de datos oficial está en el Centro de Investigación del Archivo de Ciencias de Astrofísica de Alta Energía de la NASA.

La misión NuSTAR estudia el universo en rayos X de alta energía para comprender mejor la dinámica de los agujeros negros, las estrellas en explosión y las galaxias activas más extremas. NuSTAR es el primer telescopio de rayos X de enfoque duro en orbitar la Tierra y se espera que mejore en gran medida las observaciones de los observatorios terrestres.

Antes de NuSTAR, el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el observatorio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea habían estudiado los rayos X de baja energía de las auroras de Júpiter: espectáculos de luces cerca de los polos norte y sur del planeta que se producen cuando los volcanes en la luna Io de Júpiter llueven. el planeta con iones (átomos despojados de sus electrones). El poderoso campo magnético de Júpiter acelera estas partículas y las canaliza hacia los polos del planeta, donde chocan con su atmósfera y liberan energía en forma de luz.

La nave espacial Juno de la NASA, que llegó a Júpiter en 2016 y también es administrada por JPL, observó que los electrones de Io también son acelerados por el campo magnético de Júpiter. Los investigadores sospecharon que esas partículas deberían producir rayos X de mayor energía que los observados por Chandra y XMM-Newton. NuSTAR es el primer observatorio que confirma esa hipótesis.

“Es bastante desafiante para los planetas generar rayos X en el rango que detecta NuSTAR”, dijo Kaya Mori, astrofísica de la Universidad de Columbia y autora principal del nuevo estudio. “Pero Júpiter tiene un enorme campo magnético y gira muy rápido. Esas dos características significan que la magnetosfera del planeta actúa como un acelerador de partículas gigante, y eso es lo que hace posible estas emisiones de mayor energía”.

Los investigadores enfrentaron múltiples obstáculos para realizar la detección de NuSTAR: por un lado, las emisiones de mayor energía son significativamente más débiles que las de menor energía. Pero ninguno de los desafíos podría explicar por qué Ulysses, una misión conjunta entre la NASA y la Agencia Espacial Europea y lanzada en 1990, no los detectó. Ulysses operó hasta 2009 después de múltiples extensiones de misión.

Según el nuevo estudio, la solución a ese rompecabezas radica en el mecanismo que produce los rayos X de alta energía. La luz proviene de los electrones energéticos que Juno puede detectar con su Experimento Joviano de Distribuciones Aurorales (JADE) y el Instrumento Detector de Partículas Energéticas de Júpiter (JEDI), pero existen múltiples mecanismos que pueden hacer que las partículas produzcan luz. Sin una observación directa de la luz que emiten las partículas, es casi imposible saber cuál es el mecanismo responsable.

En este caso, el culpable es algo llamado emisión de “bremsstrahlung”. “Bremsstrahlung” significa “radiación de frenado” en alemán. Cuando los electrones que se mueven rápidamente se encuentran con átomos cargados en la atmósfera de Júpiter, son atraídos por los átomos como imanes. Esto hace que los electrones desaceleren rápidamente y pierdan energía en forma de rayos X de alta energía, de la misma manera que un automóvil en movimiento rápido transferiría energía a su sistema de frenos para reducir la velocidad.

Cada mecanismo de emisión de luz produce un perfil de luz ligeramente diferente. Usando estudios establecidos de perfiles de luz de bremsstrahlung, los investigadores demostraron que los rayos X deberían volverse significativamente más débiles a energías más altas, incluso en el rango de detección de Ulysses.

“Si hiciera una simple extrapolación de los datos de NuSTAR, le mostraría que Ulysses debería haber sido capaz de detectar rayos X en Júpiter”, dijo Shifra Mandel, Ph.D. estudiante de astrofísica en la Universidad de Columbia y coautor del nuevo estudio. “Pero construimos un modelo que incluye emisión de bremsstrahlung, y ese modelo no solo coincide con el observador NuSTAR

vaciones, nos muestra que a energías aún más altas, los rayos X habrían sido demasiado débiles para que Ulysses los detectara”.

Las conclusiones del artículo se basaron en observaciones simultáneas de Júpiter realizadas por NuSTAR, Juno y XMM-Newton.

“El descubrimiento de estas emisiones no cierra el caso; está abriendo un nuevo capítulo”, dijo William Dunn, investigador del University College London y coautor del artículo. “Todavía tenemos muchas preguntas sobre estas emisiones y sus fuentes. Sabemos que los campos magnéticos giratorios pueden acelerar partículas, pero no entendemos completamente cómo alcanzan velocidades tan altas en Júpiter. ¿Qué procesos fundamentales producen naturalmente tales partículas energéticas?

El nuevo estudio es el primer ejemplo de cómo los científicos pueden comparar las observaciones de NuSTAR con los datos tomados en la fuente de los rayos X (por Juno). Esto permitió a los investigadores probar directamente sus ideas sobre qué crea estos rayos X de alta energía.

Júpiter también comparte una serie de similitudes físicas con otros objetos magnéticos del universo (magnetares, estrellas de neutrones y enanas blancas), pero los investigadores no entienden completamente cómo se aceleran las partículas en las magnetosferas de estos objetos y cómo emiten radiación de alta energía. Al estudiar a Júpiter, los investigadores pueden revelar detalles de fuentes distantes que cualquier misión iniciada en la Tierra aún no puede visitar.