Einem internationalen Team von Wissenschaftlern ist es gelungen, die erste Karte der atmosphärischen Zirkulation des Planeten Jupiters mit Hilfe der Doppler-Methode zu erstellen.
Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems, ist berühmt für seine bräunlich weißen Sturmbänder und für seinen großen roten Fleck. Die Windbänder rasen in östlicher und in westlicher Richtung um den Planeten und erreichen hohe Geschwindigkeiten von bis zu 500 Kilometern pro Stunde. Ein internationales Team von Astronomen, darunter Patrick Gaulme, Astronom an der Thüringer Landessternwarte Tautenburg, hat nun erstmals eine Karte dieser Winde mit der Doppler-Methode erstellt.
Welche Windgeschwindigkeiten herrschen auf dem Jupiter? Um diese Frage zu beantworten, nutzen Astronomen bisher Bilder der Wolkenstrukturen des Gasplaneten, die in verschiedenen zeitlichen Abständen aufgenommen wurden. Aus den Veränderungen in den Bildern berechnen sie die Windgeschwindigkeiten. Diese Methode stößt jedoch an Grenzen. „Die Wolken verändern sich oder verschwinden. Das beeinträchtigt die Messungen“, erklärt François-Xavier Schmider, Forschungsdirektor am Observatoire de la Côte d'Azur (OCA) in Frankreich, der das Forschungsprojekt leitete.
Eine weitere Schwierigkeit: Die Bilder erlauben es den Wissenschaftlern, die Geschwindigkeit der Winde in Ost-West- oder West-Ost-Richtung zu berechnen, liefern aber nur dürftige Ergebnisse für die Nord-Süd- oder Süd-Nord-Richtung. Der Grund dafür ist, einfach erklärt: Die Wolkenbänder auf dem Jupiter bewegen sich in unterschiedlichen Höhen. Die Wolkenstrukturen sind von einem Band zum nächsten getrennt. Außerdem kann die Wolkenverfolgung per Bild nicht die vertikale Bewegung in der Atmosphäre des Planeten messen. Deswegen ist nicht klar, wie Wärme und chemische Elemente vom Inneren des Planeten nach außen transportiert werden.
Mit der Doppler-Methode die atmosphärische Zirkulation messen
Statt auf Wolkenbilder von Jupiter zu setzen, verwendet das Forschungsteam um Schmider die Doppler-Methode, um die atmosphärische Zirkulation des Gasplaneten zu beobachten. Mit dem Doppler-Effekt kann gemessen werden, wie sich die Frequenz einer Licht- oder einer Schallwelle ändert, wenn sich ihre Quelle relativ zum Beobachtenden bewegt. Bewegt sich die Quelle auf den Beobachtenden zu, treffen die Wellen in kürzeren Abständen beim Beobachter ein. Entfernt sich die Quelle, werden die Wellenabstände größer.
Patrick Gaulme, Wissenschaftler an der Thüringer Landessternwarte, ist Teil des internationalen Forscherteams, das die atmosphärische Zirkulation auf dem Planeten Jupiter mit der Doppler-Methode beobachtet hat. Er beschreibt, wie die Forscher vorgegangen sind: „An drei Teleskopen in Japan, in Frankreich und in den USA ist jeweils ein Doppler-Imager montiert. Zusammen bilden diese Teleskope das JOVIAL-Netzwerk. Mit dem Doppler-Imager lässt sich ein Bild des Planeten zusammen mit seiner Doppler-Geschwindigkeitskarte erstellen, indem die Verschiebung der Spektrallinien des vom Jupiter reflektierten Sonnenlichts verfolgt wird.“ Aus der Verschiebung der Spektrallinien lässt sich die Geschwindigkeit der atmosphärischen Bewegungen ableiten.
Nachdem das Team rund 80 Stunden lang mit dem Instrument an einem der drei Teleskope, dem Dunn Solar Telescope in Sunspot, New Mexico, USA, beobachtet hatte, konnten die Forscher eine vollständige zonale Geschwindigkeitskarte des Planeten Jupiter erstellen. Dies ist das erste Mal, dass eine solche Karte mit dieser Methode für einen der Riesenplaneten erstellt wurde. „Es ist beeindruckend. Mir gefällt, dass der große rote Fleck so deutlich sichtbar ist. Aus wissenschaftlicher Sicht zeigt die Karte der zonalen Winde eine hervorragende Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Wolkenverfolgung, was die Technik bestätigt und uns erlaubt, weiterzumachen", sagt Patrick Gaulme.
Das Team hat die Ergebnisse seiner Forschung in dem wissenschaftlichen Artikel „Three-dimensional atmospheric dynamics of Jupiter from ground-based Doppler imaging spectroscopy in the visible“ in der Zeitschrift „The Planetary Science Journal“ veröffentlicht.
Der Vorabdruck des Artikels ist unter diesem Link zugänglich: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023arXiv231216888S/abstract
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Eine rekonstruierte Aufnahme von Jupiter |
Eine zonale Geschwindigkeitskarte von Jupiter. Die rote und blaue Farbe zeigen die östlichen beziehungsweise westlichen Winde an. |
Beide Abbildungen wurden aus Daten gewonnen, die mit dem Instrument JOVIAL/JIVE am Dunn Sonnenteleskop in Sunspot, New Mexico, aufgenommen wurden.
Dunn Sonnenteleskop in Sunspot, New Mexico, @Patrick Gaulme, nur für redaktionelle Zwecke
Über die Thüringer Landessternwarte
Die Thüringer Landessternwarte Tautenburg (TLS) ist eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung des Freistaats Thüringen. Sie betreibt Grundlagenforschung in Astrophysik. Die Forscherinnen und Forscher der TLS nutzen verschiedene Teleskope in der ganzen Welt für ihre Beobachtungen von Galaxien, Sternen, der Sonne, Gammastrahlenausbrüchen und extrasolaren Planeten.
Die Thüringer Landessternwarte nutzt und betreibt das 2-Meter-Alfred-Jensch-Teleskop für Beobachtungen im optischen Spektralbereich und eine Station des European Low Frequency Array (LOFAR) Radioteleskops. Außerdem baut sie ein Sonnenlabor auf, um einen Prototyp eines automatisierten Teleskops für die kontinuierliche Beobachtung der Sonne zu entwickeln.
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