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Gli scienziati hanno studiato Giove da vicino dal 1970, ma il gigante gassoso è ancora pieno di misteri. Nuove osservazioni dell'osservatorio spaziale NuSTAR della NASA hanno rivelato la luce a più alta energia mai rilevata da Giove. La luce, sotto forma di raggi X che NuSTAR può rilevare, è anche la luce a più alta energia mai rilevata proveniente da un pianeta del sistema solare diverso dalla Terra. Un articolo sulla rivista Nature Astronomy riporta la scoperta e risolve il mistero, vecchio di decenni, del perché la missione Ulisse non rilevò raggi X quando sorvolò Giove nel 1992.
I raggi X sono una forma di luce, ma con energie molto più elevate e lunghezze d'onda più corte di quelle che gli occhi umani possono vedere. L'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e l'osservatorio XMM-Newton dell'ESA (Agenzia Spaziale Europea) hanno entrambi studiato i raggi X a bassa energia provenienti dalle aurore di Giove, spettacoli di luce vicino ai poli nord e sud del pianeta che vengono prodotti quando i vulcani sulla luna di Giove Io inondano il pianeta di ioni (atomi spogliati dei loro elettroni). 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 luce.
Gli elettroni di Io sono anche accelerati dal campo magnetico del pianeta, secondo le osservazioni della sonda Juno della NASA, che è arrivata su Giove nel 2016. I ricercatori sospettavano che quelle particelle dovessero produrre raggi X a 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 che NuSTAR rileva", ha dichiarato Kaya Mori, astrofisica della Columbia University e autrice principale del nuovo studio. "Ma Giove ha un enorme campo magnetico, e sta ruotando molto rapidamente. Queste due caratteristiche fanno sì che la magnetosfera del pianeta agisca come un gigantesco acceleratore di particelle, e questo è ciò che rende possibili queste emissioni ad alta energia".
I ricercatori hanno affrontato diversi ostacoli per il rilevamento NuSTAR: ad esempio, le emissioni a più alta energia sono significativamente più deboli di quelle a bassa energia. Ma nessuna delle sfide poteva spiegare il mancato rilevamento da parte di Ulisse, una missione congiunta tra NASA ed ESA che era in grado di rilevare raggi X ad alta energia rispetto a NuSTAR. La sonda Ulysses è stata lanciata nel 1990 e ha operato fino al 2009.
La soluzione a questo enigma, secondo il nuovo studio, sta nel meccanismo che produce i raggi X ad alta energia. La luce proviene dagli elettroni energetici che Juno può rilevare con il suo Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) e Jupiter Energetic-particle Detector Instrument (JEDI), ma ci sono molteplici meccanismi che possono causare la produzione di luce da parte delle particelle. Senza un'osservazione diretta della luce emessa dalle particelle, è quasi impossibile sapere quale meccanismo sia responsabile.
In questo caso, il colpevole è qualcosa chiamato emissione di bremsstrahlung. Quando gli elettroni in rapido movimento incontrano atomi carichi nell'atmosfera di Giove, sono attratti dagli atomi come magneti. Ciò fa sì che gli elettroni decelerino rapidamente e perdano energia sotto forma di raggi X ad alta energia. È come se un'auto in rapido movimento trasferisse energia al suo sistema frenante per rallentare; infatti, bremsstrahlung significa "radiazione frenante" in tedesco. (Gli ioni che producono i raggi X a bassa energia emettono luce attraverso un processo chiamato emissione di linea atomica.)
Ogni meccanismo di emissione luminosa produce un profilo di luce leggermente diverso. Utilizzando studi consolidati sui profili di luce bremsstrahlung, i ricercatori hanno dimostrato che i raggi X dovrebbero diventare significativamente più deboli a energie più elevate, incluso il raggio di rilevamento di Ulisse.
"Se si facesse una semplice estrapolazione dei dati NuSTAR, si mostrerebbe che Ulisse avrebbe dovuto essere in grado di rilevare i raggi X su Giove", ha dichiarato Shifra Mandel, dottoranda in astrofisica alla Columbia University e co-autrice 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 Ulisse".
Il nuovo studio è il primo esempio di scienziati in grado di confrontare le osservazioni di NuSTAR con i dati presi alla fonte dei raggi X (da Juno). Ciò ha permesso ai ricercatori di testare direttamente le loro idee su ciò che crea questi raggi X ad alta energia. Giove condivide anche una serie di somiglianze fisiche con altri oggetti magnetici nell'universo, magnetar, stelle di neutroni e nane bianche, ma i ricercatori non comprendono appieno come le particelle siano accelerate nelle magnetosfere di questi oggetti ed emettano radiazioni ad alta energia. Studiando Giove, i ricercatori potrebbero svelare dettagli di fonti lontane che non possiamo ancora visitare.