Den här bilden som visar hela Jupiters skiva i infrarött ljus kompilerades från en mosaik av nio separata pekningar som observerats av det internationella Gemini-observatoriet, ett program av NSF:s NOIRLabon 29 maj 2019. Från en "lucky imaging"-uppsättning av 38 exponeringar tagna vid varje pekande, forskargruppen valde de skarpaste 10 %, kombinera dem för att avbilda en niondel av Jupiters skiva. Högar av exponeringar vid de nio punkterna kombinerades sedan för att göra en tydlig, global syn på planeten. Även om det bara tar några sekunder för Gemini att skapa varje bild i en lycklig bilduppsättning, Att slutföra alla 38 exponeringar i en uppsättning kan ta minuter -- tillräckligt länge för att funktionerna ska rotera märkbart över skivan. För att jämföra och kombinera bilderna, de kartläggs först till deras faktiska latitud och longitud på Jupiter, använda lemmen, eller kanten på skivan, som referens. När mosaikerna har kompilerats till en hel skiva, de slutliga bilderna är några av de högsta upplösta infraröda vyerna av Jupiter som någonsin tagits från marken. Kredit:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, M.H. Wong (UC Berkeley) och lagets erkännanden:Mahdi Zamani
Forskare som använder en teknik som kallas "lucky imaging" med Gemini North-teleskopet på Hawaiis Maunakea har samlat några av de högsta upplösningsbilderna av Jupiter som någonsin erhållits från marken. Dessa bilder är en del av ett flerårigt gemensamt observationsprogram med Hubble Space Telescope till stöd för NASA:s Juno-uppdrag. Tvillingarnas bilder, i kombination med Hubble- och Juno-observationerna, avslöja att blixten slår ner, och några av de största stormsystemen som skapar dem, bildas i och runt stora konvektiva celler över djupa moln av vatten is och vätska. De nya observationerna bekräftar också att mörka fläckar i den berömda stora röda fläcken faktiskt är luckor i molntäcket och inte på grund av molnfärgsvariationer.
Tre år av bildobservationer med hjälp av det internationella Gemini Observatory, ett program från NSF:s NOIRLab, har sonderat djupt in i Jupiters molntoppar. De ultraskarpa Tvillingarnas infraröda bilder kompletterar optiska och ultravioletta observationer från Hubble och radioobservationer från rymdfarkosten Juno för att avslöja nya hemligheter om jätteplaneten.
"Tvillingdata var kritiska eftersom de tillät oss att undersöka djupt in i Jupiters moln på ett regelbundet schema, " sa Michael Wong från UC Berkeley. "Vi använde en mycket kraftfull teknik som kallas lucky imaging, " tillägger Wong. Med lyckliga bilder, ett stort antal bilder med mycket kort exponering erhålls och endast de skarpaste bilderna, när jordens atmosfär är kortvarigt stabil, används. Resultatet i det här fallet är några av de skarpaste infraröda bilderna av Jupiter som någonsin tagits från marken. Enligt Wong, "Dessa bilder konkurrerar med utsikten från rymden."
Gemini Norths Near Infrared Imager (NIRI) låter astronomer titta djupt in i Jupiters mäktiga stormar, eftersom det längre våglängden infraröda ljuset kan passera genom det tunna diset men skyms av tjockare moln högt uppe i Jupiters atmosfär. Detta skapar en "jack-o-lantern"-liknande effekt i bilderna där de varma, djupa lager av Jupiters atmosfär lyser genom luckor i planetens tjocka molntäcke.
Den detaljerade, multivåglängdsavbildning av Jupiter av Gemini och Hubble har, under de senaste tre åren, visat sig vara avgörande för att kontextualisera observationerna från Juno-banan, och att förstå Jupiters vindmönster, atmosfäriska vågor, och cykloner. De två teleskopen, tillsammans med Juno, kan observera Jupiters atmosfär som ett system av vindar, gaser, värme, och väderfenomen, ger täckning och insikt inte helt olikt nätverket av vädersatelliter som meteorologer använder för att observera jorden.
Dessa bilder av Jupiters stora röda fläck gjordes med hjälp av data som samlats in av rymdteleskopet Hubble och det internationella Gemini-observatoriet den 1 april 2018. Genom att kombinera observationer som fångats nästan samtidigt från de två olika observatorierna, astronomer kunde fastställa att mörka drag på den stora röda fläcken är hål i molnen snarare än massor av mörkt material. Uppe till vänster (vid vy) och nedre till vänster (detalj):Hubble-bilden av solljus (synliga våglängder) som reflekteras från molnen i Jupiters atmosfär visar mörka drag i den stora röda fläcken. Uppe till höger:En termisk infraröd bild av samma område från Gemini visar värmeenergi som avges som infrarött ljus. Coola överliggande moln visas som mörka områden, men röjningar i molnen tillåter ljusa infraröda strålar att fly från varmare lager nedanför. Nedre mitten:En ultraviolett bild från Hubble visar solljus spritt tillbaka från diset över den stora röda fläcken. Den stora röda fläcken ser röd ut i synligt ljus eftersom diset absorberar blå våglängder. Hubble-data visar att diset fortsätter att absorberas även vid kortare ultravioletta våglängder. Nedre höger:En multivåglängdskomposit av Hubble- och Gemini-data visar synligt ljus i blått och termiskt infrarött i rött. De kombinerade observationerna visar att områden som är ljusa i infrarött är gläntor eller platser där det finns mindre molntäcke som blockerar värmen från det inre. Hubble- och Tvillingobservationerna gjordes för att ge ett brett perspektiv för Junos 12:e pass (Perijove 12). Kredit:NASA, ESA, och M.H. Wong (UC Berkeley) och team
Kartläggning av gigantiska åskväder
På vart och ett av dess nära pass över Jupiters moln, Juno upptäckte radiosignaler skapade av kraftfulla blixtar som kallas sferics (förkortning för atmospherics) och whistlers (så kallade på grund av den visselpipa-liknande ton de orsakar på radiomottagare). När det är möjligt, Gemini och Hubble fokuserade på Jupiter och fick hög upplösning, stora kartor över den gigantiska planeten.
Junos instrument kunde bestämma latitud- och longitudkoordinaterna för kluster av sferiska och whistlersignaler. Med Gemini och Hubble bilder på flera våglängder, Forskare kan nu undersöka molnstrukturen på dessa platser. Genom att kombinera dessa tre informationsdelar fann forskargruppen att blixten slår ner, och några av de största stormsystemen som skapar dem, bildas i och runt stora konvektiva celler över djupa moln av vatten is och vätska.
"Forskare spårar blixtar eftersom det är en markör för konvektion, den turbulenta blandningsprocessen som transporterar Jupiters inre värme upp till de synliga molntopparna, " förklarade Wong. Den största koncentrationen av blixtar som Juno sett kom från en virvlande storm som kallas en "filamentär cyklon." Bilder från Gemini och Hubble visar detaljer i cyklonen, avslöjar att det är en vriden samling höga konvektiva moln med djupa luckor som ger glimtar till vattenmolnen långt nedanför.
"Pågående studier av blixtkällor kommer att hjälpa oss att förstå hur konvektion på Jupiter skiljer sig från eller liknar konvektion i jordens atmosfär, " kommenterade Wong.
Glödande drag i den stora röda fläcken
Medan man skannar gasjätten efter luckor i molntäcket, Tvillingarna såg ett avslöjande sken i den stora röda fläcken, indikerar en fri sikt ner till djupt, varmare atmosfäriska lager.
"Liknande egenskaper har setts i den stora röda fläcken tidigare, " sa teammedlem Glenn Orton från JPL, "men observation av synligt ljus kunde inte skilja mellan mörkare molnmaterial, och tunnare molntäcke över Jupiters varma inre, så deras natur förblev ett mysterium."
Nu med data från Gemini, detta mysterium är löst. Där synliga ljusbilder från Hubble visar en mörk halvcirkel i den stora röda fläcken, bilder tagna av Tvillingarna med infrarött ljus visar en ljus båge som lyser upp området. Detta infraröda sken, från Jupiters inre värme, skulle ha blockerats av tjockare moln, men kan passera genom Jupiters disiga atmosfär ohöljt. Genom att se dessa funktioner som ljusa infraröda hotspots, Tvillingarna bekräftar att de är luckor i molnen. Även om tidigare observationer har sett mörka drag i den stora röda fläcken, de snabbt virvlande vindarna inom den dolde den sanna naturen hos dessa fläckar tills de samtidiga observationerna av Hubble och Tvillingarna genomfördes.
Denna illustration av blixten, konvektiva torn (åskhuvuden), djupa vattenmoln, och röjningar i Jupiters atmosfär är baserad på data som samlats in av rymdfarkosten Juno, rymdteleskopet Hubble, och det internationella Gemini Observatory. Juno upptäcker radiosignaler som genereras av blixtarladdningar. Eftersom radiovågor kan passera genom alla Jupiters molnlager, Juno kan upptäcka blixtar i djupa moln såväl som blixtar på dagsidan av planeten. Hubble upptäcker solljus som har reflekterats av moln i Jupiters atmosfär. Olika våglängder tränger ner till olika djup i molnen, ger forskarna möjlighet att bestämma molntopparnas relativa höjder. Tvillingarna kartlägger tjockleken på kalla moln som blockerar termiskt infrarött ljus från varmare atmosfäriska lager under molnen. Tjocka moln verkar mörka på de infraröda kartorna, medan gläntorna ser ljusa ut. Kombinationen av observationer kan användas för att kartlägga molnstrukturen i tre dimensioner och härleda detaljer om atmosfärisk cirkulation. Tjock, höga moln bildas där fuktig luft stiger upp (uppströmning och aktiv konvektion). Röjningar bildas där torrare luft sjunker (downwelling). Molnen som visas reser sig fem gånger högre än liknande konvektiva torn i jordens relativt grunda atmosfär. Den illustrerade regionen täcker en horisontell spännvidd som är en tredjedel större än den i det kontinentala USA. Kredit:NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), och A. James och M.W. Carruthers (STScI)
"NIRI på Gemini North är det mest effektiva sättet för USA och de internationella Gemini-partnerskapsutredarna att få detaljerade kartor över Jupiter vid denna våglängd, " förklarade Wong. Tvillingarna uppnådde en upplösning på 500 kilometer (300 mil) på Jupiter. "Vid denna upplösning, teleskopet kunde lösa de två strålkastarna på en bil i Miami, sett från New York City, sa Andrew Stephens, Gemini-astronomen som ledde observationerna.
"Dessa samordnade observationer bevisar än en gång att banbrytande astronomi är möjlig genom att kombinera kapaciteten hos Gemini-teleskopen med gratis mark- och rymdbaserade faciliteter, sa Martin Still, en programdirektör för astronomi vid National Science Foundation, som är Geminis amerikanska finansieringsbyrå. "Det internationella Gemini-partnerskapet ger öppen tillgång till en kraftfull kombination av stora teleskops uppsamlingsområde, flexibel schemaläggning, och ett brett urval av utbytbara instrument."
