Esplorare gli ioni di ossigeno nelle cinture di radiazione più interne di Giove


Mentre gli ioni di ossigeno e zolfo ad alta energia fuori dall’orbita di Amalthea sono forniti dalla magnetosfera lontana come sottoprodotti delle eruzioni vulcaniche di Io, un’altra fonte deve essere responsabile dell’alta concentrazione di ioni di ossigeno ad alta energia all’interno di Amalthea, che impedisce la trasmissione di tali ioni attraverso la sua orbita.

Pianeti come la Terra, Giove e Saturno, con campi magnetici globali propri, sono circondati dalle cosiddette cinture di radiazione: Intrappolate nel campo magnetico, particelle cariche in rapido movimento come elettroni, protoni e ioni più pesanti sfrecciano, formando così le invisibili cinture di radiazione a forma di toro. Con le loro alte velocità che raggiungono quasi la velocità della luce, le particelle possono ionizzare altre molecole quando si scontrano, creando un ambiente che può anche essere pericoloso per le sonde spaziali e i loro strumenti. In questo senso, il gigante gassoso Giove sfoggia le cinture di radiazioni più estreme del sistema solare.

Nella loro nuova pubblicazione, i ricercatori del MPS, del California Institute of Technology (USA), del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (USA), del Laboratory of Instrumentation and Experimental Particle Physics (Portogallo) e dell’Accademia di Atene (Grecia) presentano lo studio più completo fino ad oggi degli ioni pesanti nelle cinture di radiazione interne di Giove.

Come il massiccio campo magnetico di Giove, le sue cinture di radiazione si estendono per diversi milioni di chilometri nello spazio; tuttavia, la regione all’interno dell’orbita della luna Europa, un’area con un raggio di circa 670.000 chilometri intorno al gigante gassoso, è la scena delle più alte densità e velocità di particelle energetiche. Vista da Giove, Europa è il secondo dei quattro grandi satelliti gioviani chiamati “lune galileiane” dal nome del loro scopritore del XVII secolo. Io è la luna galileiana più interna. Con le sonde spaziali Pioneer 11 a metà degli anni ’70, Galileo dal 1995 al 2003, e attualmente Juno, tre missioni spaziali si sono finora avventurate nella parte più interna di queste fasce di radiazione e hanno eseguito misure in situ.

Purtroppo, i dati di Pioneer 11 e Juno non ci permettono di concludere al di là di ogni dubbio che tipo di ioni le navicelle hanno incontrato lì“, dice lo scienziato MPS Dr. Elias Roussos, autore principale del nuovo studio, descrivendo lo stato attuale della ricerca. “Pertanto, le loro energie e la loro origine erano anche poco chiare fino ad ora“, aggiunge. Solo i dati ora riscoperti degli ultimi mesi della missione Galileo sono abbastanza dettagliati per migliorare questa situazione.

Avventurarsi nelle cinture di radiazione interne

La sonda Galileo della NASA ha raggiunto il sistema di Giove nel 1995. Dotata del contatore di ioni pesanti (HIC), fornito dal California Institute of Technology, e del rilevatore di particelle energetiche (EPD), sviluppato e costruito dal Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in collaborazione con il MPS, la missione ha trascorso i successivi otto anni fornendo intuizioni fondamentali sulla distribuzione e la dinamica delle particelle cariche attorno al gigante gassoso.

Tuttavia, per proteggere il veicolo spaziale, inizialmente ha volato solo attraverso le regioni esterne e meno estreme delle cinture di radiazione. Solo nel 2003, poco prima della fine della missione, quando un rischio maggiore era giustificabile, Galileo si è avventurato nella regione più interna all’interno delle orbite delle lune Amalthea e Thebe. Viste da Giove, Amalthea e Thebe sono la terza e la quarta luna del pianeta gigante. Le orbite di Io e Europa si trovano più all’esterno.

A causa dell’esposizione a forti radiazioni, c’era da aspettarsi che i dati di misurazione di HIC e EPD dalla regione interna della fascia di radiazioni sarebbero stati pesantemente corrotti. Dopo tutto, nessuno di questi due strumenti è stato specificamente progettato per operare in un ambiente così duro“, Roussos descrive le sue aspettative quando ha iniziato a lavorare allo studio attuale tre anni fa. Tuttavia, il ricercatore ha voluto vedere con i suoi occhi. Come membro della missione Cassini della NASA, aveva assistito alle orbite finali di Cassini, altrettanto audaci, su Saturno due anni prima e aveva analizzato i dati unici di quella fase finale della missione. “Il pensiero della missione Galileo, completata da tempo, continuava a venirmi in mente“, ricorda Roussos. Con sua grande sorpresa, tra molti set di dati inutilizzabili ce n’erano anche alcuni che potevano essere elaborati e analizzati con molto sforzo.

Enigmatici ioni di ossigeno

Con l’aiuto di questo tesoro scientifico, gli autori dello studio attuale sono stati in grado di determinare per la prima volta la composizione degli ioni all’interno delle cinture di radiazione interne, così come le velocità e la distribuzione spaziale degli ioni. In contrasto con le cinture di radiazione della Terra e di Saturno, che sono dominate dai protoni, la regione all’interno dell’orbita di Io contiene anche grandi quantità di ioni di ossigeno e zolfo, molto più pesanti, con gli ioni di ossigeno che prevalgono tra i due.

La distribuzione energetica degli ioni pesanti al di fuori dell’orbita di Amalthea suggerisce che essi sono in gran parte introdotti da una regione più lontana delle cinture di radiazione“, dice Roussos. La luna Io, con i suoi più di 400 vulcani attivi, che ripetutamente scagliano grandi quantità di zolfo e anidride solforosa nello spazio – e in misura minore, Europa – sono probabilmente le fonti principali.

Più all’interno dell’orbita di Amalthea, la composizione degli ioni cambia drasticamente a favore dell’ossigeno. “La concentrazione e l’energia degli ioni di ossigeno è molto più alta del previsto“, dice Roussos. In realtà, la concentrazione dovrebbe diminuire in questa regione, poiché le lune Amalthea e Thebe assorbono gli ioni in entrata; le orbite delle due piccole lune formano così una sorta di barriera naturale di ioni. Questo comportamento è, per esempio, noto dalle cinture di radiazione del sistema di Saturno con le sue numerose lune.

L’unica spiegazione per l’aumentata concentrazione di ioni di ossigeno è quindi un’altra fonte locale nella regione più interna delle cinture di radiazione. Il rilascio di ossigeno in seguito alle collisioni di ioni di zolfo con le particelle di polvere fine degli anelli di Giove costituisce una possibilità, come mostrano le simulazioni al computer dei ricercatori. Gli anelli, che sono molto più deboli di quelli di Saturno, si estendono approssimativamente fino all’orbita di Tebe. Tuttavia, è anche concepibile che le onde elettromagnetiche a bassa frequenza nell’ambiente magnetosferico delle cinture di radiazione più interne riscaldino gli ioni di ossigeno alle energie osservate.

Attualmente, non è possibile distinguere a favore di una di queste due possibili fonti“, dice Roussos. Ognuno di questi due meccanismi candidati, tuttavia, ha paralleli con la produzione di particelle ad alta energia in ambienti stellari o extrasolari, stabilendo ulteriormente che le cinture di radiazione di Giove si estendono nel regno astrofisico, un fatto che il ricercatore spera possa giustificare la loro futura esplorazione con una missione spaziale dedicata.

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