Observando a través de las tormentas de Júpiter con Gemini

Durante la pandemia global, la astrónoma planetaria Heidi Hammel logró una ambición a largo plazo: aprender a tocar el oboe. Hammel, Vicepresidenta de Ciencias de la Oficina de AURA Corporate, a veces participa en recitales por Zoom con otras personas. Esto requiere de una gran coordinación, pero, si bien una persona tocando un instrumento en su hogar sólo puede aportar con una parte de una sinfonía, cuando se toma como un todo en Internet, la combinación de todos los músicos lleva a la creación de una pieza musical mucho más compleja.

De la misma forma, el telescopio Gemini Norte de NOIRLab es similar a esos músicos individuales cuando se trata de observar a Júpiter con su Generador de Imágenes en el Infrarrojo Cercano (NIRI por sus siglas en inglés). Sin embargo, el colaborador científico frecuente de Hammel, Mike Wong, de la Universidad de California, combinó las observaciones de NIRI con los datos ópticos e infrarrojos del Telescopio Espacial Hubble, además de las señales de radio detectadas por la sonda espacial Juno de la NASA, para crear una especie de sinfonía planetaria.

Interactive Image comparison of Gemini infrared data and Hubble visible data.

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, M.H. Wong (UC Berkeley) et al. Acknowledgments: Mahdi Zamani

Al hacerlo, el equipo de Wong logró demostrar cómo se forman las tormentas de relámpagos en Júpiter, y que la famosa Gran Mancha Roja del planeta tiene agujeros en sus nubes que permiten que Gemini vea a través de sus capas más cálidas y profundas.

“Lo que es realmente genial sobre el trabajo que ha estado realizando Mike —combinar las observaciones del Hubble con las de Gemini y la sonda espacial Juno —, es que se trata de un gran ejemplo de cómo el uso de diferentes herramientas en nuestro arsenal resulta ser una forma muchísimo más poderosa para estudiar objetos planetarios en lugar de elegir una sola para su estudio”, comenta Hammel.

Las señales de radio que Juno detectó provienen de explosiones extremas de relámpagos en la atmósfera de Júpiter. Las observaciones del Hubble muestran nubes brillantes en esas regiones, al tope de las altas nubes convectivas de tormentas dentro de un ciclón poderoso. ¿Pero qué está causando estas nubes de tormenta?

Aquí es donde entra Gemini: “Los datos previos de sondas espaciales de la NASA muestran que las regiones con convección activa, marcadas por actividad de relámpagos, contenían columnas de capas convectivas y nubes tan profundas que tuvieron que formarse por agua condensada”, explica Wong. “Gemini reveló que estas regiones activas están también esparcidas con manchas infrarrojas brillantes, donde corrientes turbulentas descendientes crean regiones claras en las capas de nubes. Los datos de Juno, Gemini y Hubble luego se combinaron para mapear en tres dimensiones las estructuras de nubes en las regiones convectivas de las tormentas, especialmente los diferentes tipos de vórtices ciclónicos”.

¿Sabías que en el borde de la Gran Mancha Roja de Júpiter, las velocidades de los vientos alcanzan entre 430 y 680 kilómetros por hora? ¡Eso es más del doble de la velocidad de los huracanes aquí en la Tierra!

“Juno detectó un montón de destellos de relámpagos en longitudes de onda radiales que se asocian con ciclones”, añade Wong. “E interpretamos los datos para mostrar que cuando existe convección activa, la cual genera el relámpago, se produce esta situación particular donde existen tres tipos de nubes revueltas en un solo lugar: las altísimas capas convectivas, regiones claras donde Gemini detecta emisión brillante y nubes de agua profundas”, concluyó.

El Hubble tiene la ventaja de estar en el espacio sin el efecto distorsionante de la atmósfera de la Tierra, pero el telescopio terrestre Gemini Norte aún tiene que batallar con este perjudicial brillo. Por esta razón, el equipo de Wong utilizó una técnica conocida como “imagen afortunada” (“lucky imaging” en inglés): Gemini captura muchas imágenes de Júpiter en una rápida sucesión (se toma un fotograma con una exposición de tiempo de 0,31 segundos cada cinco o seis segundos) y Wong utiliza algoritmos computacionales para seleccionar las exposiciones con menos distorsión atmosférica. “Usamos 38 fotogramas de origen por objetivo y seleccionamos el mejor diez por ciento de ellos”, indica Wong. “Originalmente, utilizábamos 76 fotogramas, pero los bajamos para poder hacer la propuesta más competitiva para Gemini Norte, el cual tiene una alta demanda”. Luego, Gemini capturó algunas de las imágenes infrarrojas más nítidas de Júpiter tomadas desde la Tierra, capaz de ver detalles tan pequeños como 500 kilómetros de ancho, lo que suena a un número grande, pero si considera que el gigante gaseoso tiene 140.000 kilómetros de ancho y que está a unos 900 millones de kilómetros de distancia, estas características son bastante pequeñas.

Mike Wong, que se muestra aquí con el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA por sus siglas en inglés), ha conseguido un mayor entendimiento sobre la atmósfera tempestuosa de Júpiter.

Credit: M. H. Wong

Las observaciones de Gemini también llevaron a un hallazgo adicional y sorprendente: Mientras buscaban regiones claras en las fugas de calor interno de Júpiter en longitudes de onda infrarrojas, Wong y sus colegas notaron que la Gran Mancha Roja parecía estar llena de agujeros. En luz visible, estas brechas se ven como nubes oscuras, pero Gemini demostró que no había nubes ahí.

Si bien estos agujeros aún no se explican en su totalidad, Wong hace una analogía con las corrientes oceánicas en los mares de la Tierra. “El ejemplo más cercano sería la de remolinos en el océano. A medida que giran las nubes de tormentas, podemos obtener pequeñas anomalías a partir de estos remolinos que forman manchas sólo al enrollarse. Y esa es la forma que estamos observando en estos agujeros. Entonces, es probable que sólo se trate de una débil turbulencia, pero a medida que gira, se estira”, explicó.

Se trata de un gran ejemplo de cómo el uso de diferentes herramientas en nuestro arsenal resulta ser una forma muchísimo más poderosa para estudiar objetos planetarios en lugar de elegir una sola para su estudio.

Heidi Hammel, Vicepresidenta de Ciencias de la Oficina de AURA Corporate, dirigió el Equipo del Hubble que investigó la respuesta atmosférica de Júpiter al impacto del Cometa Shoemaker-Levy 9 del año 1994.

Credit: H. Hammel

El programa de varios años que une a Gemini con el Hubble y Juno está lejos de terminarse. Este trío es capaz de dar seguimiento a cambios en la atmósfera joviana, demostrando cómo las características de las nubes evolucionan con el tiempo. Wong ahora está trabajando en un artículo que pretende dilucidar uno de los misterios más grandes de la atmósfera joviana: ¿Cómo y por qué se está reduciendo la Gran Mancha Roja?

La tempestuosa atmósfera de Júpiter, capturada por la Cámara de Gran Angular 3 en el Telescopio Espacial Hubble en infrarojo.

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, M.H. Wong (UC Berkeley) and team. Acknowledgments: Mahdi Zamani

En el siglo XIX, la Gran Mancha Roja medía unos 40.000 kilómetros de ancho, mientras que hoy parece tener unos 15.800 kilómetros de diámetro. No obstante, no está muy clara la definición de dónde comienza y termina la mancha, y parece haber cambiado de color en el transcurso de los años. En vez de medir su diámetro en la zona de la atmósfera que la tormenta colorea en rojo, Wong mide la velocidad de los vientos y la atmósfera circundante.

“Puedes medir el tamaño de la mancha basándote en el color rojo o puedes medir la forma en que soplan los vientos y usar los puntos máximos de las velocidades de vientos más altas (como un indicador de la extensión de la mancha). Y eso es algo que los dinamizadores piensan que es más preciso para definir el tamaño de la Gran Mancha Roja”, precisó Wong.

Se produce esta situación particular donde existen tres tipos de nubes revueltas en un solo lugar: las altísimas capas convectivas, regiones claras donde Gemini detecta emisión brillante y nubes de agua profundas

Una ilustración de la capas convectivas de relámpagos (nubes de tormenta), nubes de agua profundas y regiones claras en la atmósfera de Júpiter, basada en datos recopilados por la sonda espacial Juno, el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio internacional Gemini.

Credit: NASA, ESA, M. H. Wong (UC Berkeley), A. James y M. W. Carruthers (STScI)

En esa materia, las observaciones de Gemini o los datos de Juno o del Hubble no se descartan al final del estudio de Wong, sino que se mantienen en el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) de NOIRLab para todos los astrónomos en el futuro.

“Incluso si Mike podría estar casi listo con sus datos, puede haber algún joven entusiasta que venga después de él y que podría tener una propuesta científica distinta que él o ella demostrarán utilizando el conjunto de datos que ha obtenido Mike”, añade Hammel. “Podrían usarlo para un propósito científico completamente nuevo que nadie se haya imaginado en este momento”.

De esta forma, las observaciones de Gemini dejarán un legado duradero que estará a disposición de los astrónomos en el futuro, ¡tal vez incluso por mucho más tiempo que el mismo observatorio! ¿Quién sabe qué descubrimientos se podrían lograr en el futuro a través de las observaciones que están haciendo hoy mismo los científicos y las instalaciones de NOIRLab?