8 Minutės
Naujos radijo signalų, praeinančių už planetos, analizės atskleidžia, kad dujų milžino Jupiterio pusiaujo spindulys yra 71 488 kilometrų (44 421 mylių), o poliarinis spindulys nuo centro iki šiaurės poliaus siekia 66 842 kilometrus. Šie skaičiai sumažina maždaug po 4 kilometrus kiekvienoje pusėje prie pusiaujo ir apie 12 kilometrų nuo kiekvieno poliaus, palyginti su ilgalaikėmis vertėmis, gautomis iš 1970-ųjų kosminių zondų duomenų. Keli kilometrai planetoje Jupiterio dydžio gali atrodyti smulkmena, tačiau planetų moksle tai gali pakeisti žaidimo taisykles.
Santrauka ir pagrindiniai atradimai
Kelios kilometrai ir kaip tai keičia vaizdą
Matuotės turi reikšmę, nes modeliai yra jautrūs pradinių sąlygų pokyčiams. Net nedidelis ribos poslinkis gali ženkliai pakeisti masės, temperatūros ir vėjo pasiskirstymo interpretacijas planetos viduje. „Šie keli kilometrai svarbūs“, sako Eli Galanti, planetologas iš Veizmano mokslo instituto (Weizmann Institute of Science). „Jei šiek tiek pakoreguojame spindulį, mūsų Jupiterio vidaus modeliai gali geriau suderinti tiek gravitacijos duomenis, tiek atmosferos stebėjimus.“
Atnaujinimo pagrindas – radijo okultacijos (RO) metodas. Kai kosminė stotis praeina už planetos iš Žemės perspektyvos, per planetos atmosferą perduodami radijo signalai lenkiasi. Šio lenkimo kiekis ir charakteris įrašo slėgio, tankio ir temperatūros profilius aukštesniuose atmosferos sluoksniuose. 1970-aisiais misijos Voyager ir Pioneer atliko tik šešis tokius okultacijos pjūvius, todėl ankstesni matavimai buvo riboti. Juno misija tai pakeitė.
Metodai: radijo okultacija ir Juno stebėjimai
Radijo okultacijos principas
Radijo okultacija remiasi tuo, kad radijo bangos, keliaudamos per planetos atmosferą, yra refraktuojamos pagal vietinę refrakcijos indekso pokyčius, kurie priklauso nuo slėgio, temperatūros ir atmosferos cheminės sudėties. Išmatuodami signalų laiko delsą, fazės poslinkių ir amplitudės pokyčius, tyrėjai atkuria vertikalius atmosferos profilius. Kuo daugiau okultacijos trajektorijų (pjūvių) turima skirtingose ilgumos ir platumos koordinatėse, tuo detalesnis ir patikimesnis tampa atvaizdas apie atmosferos būklę bei ribų padėtį.
Juno orbitos koregavimas ir duomenų tankis
2021 m. NASA pakeitė Juno orbitą taip, kad zondas reguliariai pakliūtų už Jupiterio iš Žemės perspektyvos. Toks išsidėstymas leido atlikti kartotines radijo okultacijas per skirtingus metų laikus ir skirtingas planetos vietas. Kartu su pažangesniais signalų apdorojimo metodais – triukšmo filtravimu, fazės išskyrimu ir statistine inversija – naujas duomenų rinkinys suteikė daug tankesnį atmosferos refrakcijos ėminiavimą, nei tai galėjo pasiūlyti ankstesnės misijos.
„Mes stebėjome, kaip radijo signalai lenkiasi praeidami per Jupiterio atmosferą, ir galėjome šią informaciją paversti detaliomis Jupiterio temperatūros ir tankio žemėlapiais, sukuriančiais iki šiol aiškiausią šio milžino dydžio ir formos vaizdą“, – paaiškina Maria Smirnova, planetologė iš Veizmano instituto.
Dinaminiai veiksniai: vėjai ir planetos forma
Vėjų įtaka atmosferos geometrijai
Yra dar vienas sudėtingumas – vėjai. Jupiterio greita rotacija sukuria galingus zoninius srautus (jetus), kurių poveikis atmosferos formai nėra menkas. Šie plataus masto vėjai keičia slėgio lauko ir tankio pasiskirstymą, kas savo ruožtu lemia vietinius pakitimus refrakcijoje ir gravitacijos lauke. Ankstesnės spindulio vertės dažnai darė prielaidą, kad vėjai yra nereikšmingi arba jų poveikis atmestinas. Ši prielaida dabar yra peržiūrėta.
Turint prieigą prie modernių vėjo analizės duomenų, gautų iš stebėjimų Jupiterio atmosferos debesų poslinkių, radiometrijos ir kitų instruktorių, Eli Galanti ir kolegos integravo atmosferos dinamiką į savo skaičiavimus. Įtraukus vėjo sukeliamas oblatiškumo ir slėgio svyravimo korekcijas, spindulio vertė geriau suderinta su gravitacijos lauko duomenimis, vėjo profiliais ir stebima atmosferine struktūra.
Mokslo ir praktinė reikšmė
Kodėl tai svarbu planetologams ir ne tik jiems
Tikslios spindulių vertės svarbios palyginant Jupiterį su kitais dujų milžinais tiek Mūsų Saulės sistemoje, tiek aplink kitas žvaigždes. Maži spindulio pokyčiai pasiskirstymo viduje skaičiavimuose gali daryti didelį poveikį dedamųjų proporcijoms, branduolio masei ir šilumos perdavimui. Tokie rodikliai daro įtaką teorijoms apie dujų milžinų susidarymą ir evoliuciją.
Egzoplanetų tyrėjams geresni etalonai namuose leidžia tikslingiau interpretuoti atstuminius planetų dydžio, masės ir atmosferos požymių matavimus. Pavyzdžiui, spindulio netikslumas gali iškreipti išvadą apie eksoplanetos vidinę sudėtį arba šilumos srauto intensyvumą. Todėl Jupiterio dydžio peržiūra turi ir platesnę reikšmę – ji pagerina instrumentus ir modelius, kuriuos naudoja astronomai ieškodami ir charakterizuodami tolimas planetas.
Gravitacijos matavimų ir atmosferos duomenų derinimas
Jupiterio gravitacinio lauko matavimai, kuriuos atnešė Juno misija, jau suteikė vertingų įžvalgų apie masės pasiskirstymą planetoje. Tačiau gravitacija vien tik negali visiškai atskleisti radiališkos masės struktūros be patikimų geometrinių ribų – t. y. vietos, kurias laikome paviršiumi ar tam tikru spinduliu. Atnaujintas spindulys padeda apriboti inversinius modelius, taigi suderinti gravitacinių matavimų su atmosferiniais profiliais ir vėjo įtaka.
Techniniai aspektai ir patikimumas
Duomenų apdorojimas ir klaidų analizė
Šio pobūdžio matavimuose didelę reikšmę turi signalo apdorojimo grandinė: nuo žemutinio triukšmo lygio įvertinimo iki fazės skydelio, Dopplerio kompensavimo ir atmosferos modelių parametrizacijos. Naujojoje analizėje taikyti modernūs triukšmo filtravimo algoritmai, Monte Carlo stochastiniai metodai netikrumo skaičiavimui, ir hierarchiniai inversijos sprendimai, leidžiantys atskirti instrumentinį triukšmą nuo tikrų atmosferos signalų.
Tyrėjai pateikia konfidencijos intervalus ir jautrumo analizę, kuri parodo, kaip rezultatai reaguoja į skirtingas prielaidas: cheminės sudėties, temperatūros gradientų formų ar vėjo vertikalių profilių variacijas. Nors kiekvienas iš šių komponentų prisideda prie bendro netikrumo, bendra vaizdo konsolidacija rodo, kad spindulio sumažinimas nėra instrumentinė klaida, o atkuriamas fizinis rodiklis, suderintas su kelių nepriklausomų duomenų šaltinių rezultatais.
Palyginimas su 1970-ųjų duomenimis
1970-ųjų Pioneer ir Voyager okultacijos duomenys buvo itin vertingi tuo metu, tačiau jie aprėpė tik ribotą įpjovų skaičių ir turėjo ribotą erdvinį pasklidimą. Nauja Juno pagrindu atlikta analizė suteikia gerokai tankesnį erdvinį ir laikinį ėminį, leidžiantį ne tik atnaujinti skaitines spindulio vertes, bet ir suprasti, kaip tos vertės gali kisti priklausomai nuo atmosferos sūkurinių judesių ar sezoninių pokyčių (nors Jupiteris neturi sezonų tokia forma kaip Žemė, atmosferos dinamika keičiasi laike).
Platesnės implikacijos ir tolimesni darbai
Kaip tai veikia planetų formavimo teorijas
Jupiterio vidinės sudėties, branduolio masės ir termodinamikos interpretacijos yra kertinės formuojant planetų evoliucijos modelius. Pavyzdžiui, didesnis ar mažesnis pusiaujo spindulys gali keisti įvertintas vidinės tankio gradientų reikšmes, kas savo ruožtu gali lemti skirtingas hipotezes apie akrecijos procesus ankstyvoje planetos gyvavimo stadijoje. Tikslūs dydžio matavimai prisideda prie ribojimo – kurie modeliai yra įmanomi, o kurie ne.
Egzoplanetų tyrimai ir etalonai
Geriau suprasti Mūsų sistemos dujų milžinus yra svarbu kuriant etalonus, pagal kuriuos interpretuojami egzoplanetų duomenys. Matavimo metodikos ir apdorojimo algoritmai, išbandyti Juno ir radijo okultacijos duomenų apdorojime, gali būti pritaikyti interpretuojant tolimų sistemų stebėjimus radijo, infraraudonųjų arba optinių diapazonų duomenimis. Tokiu būdu lokali planetų mokslo pažanga tiesiogiai veikia tolimų pasaulių interpretaciją.
Atviros diskusijos ir skepticizmas
Kur dar gali būti klaidos?
Nors tyrimas yra solidus ir publikuotas Nature Astronomy, mokslas progresuoja per kartojamus patikrinimus: nepriklausomus duomenų rinkinius, alternatyvius apdorojimo metodus ir tarpdisciplinines diskusijas. Potencialūs netikslumai gali kilti iš netobulų atmosferos cheminės sudėties modelių, nepakankamo vėjo vertikalių profilių žinojimo bei instrumentinių problemų, kurių neapima dabartiniai triukšmo modeliai. Tyrinėtojai atvirai teigia šias ribas ir publikacijoje pateikia rekomendacijas, kaip sekančios misijos galėtų sumažinti likusį neapibrėžtumą.
Kiti patikrinimo būdai
Patikrinimui gali būti naudojami kiti stebėjimų būdai: radijo okultacijos iš skirtingų žeminių stočių ar ateities zondų, radariniai profiliai, termalinių infraraudonųjų spindulių matavimai ir tolimesni gravitacinio lauko kampiniai stebėjimai. Tarptautinė bendruomenė taip pat gali atlikti nepriklausomas inversijas su atskirais programiniais komplektais, kad patikrintų rezultatų jautrumą modelio pasirinkimams.
Išvados
Techniniu požiūriu, šis darbas yra inkrementinis, tačiau svarbus patikslinimas, o ne radikalus perrašymas. Tai primena, kad net geriausiai žinomos planetos gali reikalauti naujo apdorojimo, kitų trajektorijų ir dėmesio „netvarkingiems“ detaliams, tokiems kaip vėjai. Naujos trajektorijos, pažangesnis signalų apdorojimas ir paruošimas priimti sudėtingus dinamikos efektus gali atnešti aiškesnius atsakymus.
Mokslas dažnai juda per niuansus. Keli kilometrai gali patikslinti planetos portretą ir atverti naujus tyrimų kelius apie tai, kaip dujų milžinai formuojasi, gyvena ir kinta Visatoje.
Publikacijos techninis šaltinis: straipsnis publikuotas žurnale Nature Astronomy, kur pateikiami metodai, jautrumo analizės ir patikimumo įvertinimai. Tyrimas susieja radijo okultacijos duomenis, Juno gravitacinius matavimus ir atmosferos dinaminių modelių rezultatus, kad pasiūlytų atnaujintą Jupiterio geometrijos vaizdą.
Svarbios raktažodžių temos šiame straipsnyje: Jupiterio dydis, Jupiterio spindulys, radijo okultacija, Juno misija, dujų milžinas, atmosferos struktūra, gravitacijos laukas, egzoplanetų palyginimas, planetų formavimas.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą