Πλανήτες όπως η Γη, ο Δίας και ο Κρόνος, με τα δικά τους παγκόσμια μαγνητικά πεδία, περιβάλλονται από τις λεγόμενες ζώνες ακτινοβολίας: Παγιδευμένοι στο μαγνητικό πεδίο, γρήγορα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια και βαρύτερα ιόντα αναπηδούν, σχηματίζοντας έτσι το αόρατες ζώνες ακτινοβολίας σε σχήμα τόρου. Με τις υψηλές ταχύτητες να φτάνουν σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, τα σωματίδια μπορούν να ιονίσουν άλλα μόρια όταν συγκρούονται, δημιουργώντας ένα επικίνδυνο περιβάλλον που μπορεί επίσης να είναι επικίνδυνο για τους διαστημικούς ανιχνευτές και τα όργανά τους. Από αυτή την άποψη, ο γίγαντας αερίου Δίας διαθέτει τις πιο ακραίες ζώνες ακτινοβολίας στο ηλιακό σύστημα. Στη νέα τους δημοσίευση, ερευνητές από το MPS, το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Η.Π.Α.), το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής Τζονς Χόπκινς (ΗΠΑ), το Εργαστήριο Οργάνων και Πειραματικής Φυσικής Σωματιδίων (Πορτογαλία) και την Ακαδημία Αθηνών (Ελλάδα) τώρα παρουσιάζουν την πιο ολοκληρωμένη μέχρι σήμερα μελέτη των βαρέων ιόντων στις εσωτερικές ζώνες ακτινοβολίας του Δία.

Όπως το τεράστιο μαγνητικό πεδίο του Δία, είναι ζώνες ακτινοβολίας να επεκταθεί αρκετά εκατομμύρια χιλιόμετρα στο διάστημα. Ωστόσο, η περιοχή εντός της τροχιάς του φεγγαριού στην Ευρώπη, μια περιοχή με ακτίνα περίπου 670.000 χιλιομέτρων γύρω από τον αέριο γίγαντα, είναι η σκηνή με τις υψηλότερες πυκνότητες και ταχύτητες ενεργητικών σωματιδίων. Από τον Δία, η Ευρώπη είναι ο δεύτερος από τους τέσσερις μεγάλους Ιοβιανούς δορυφόρους που ονομάστηκαν “Φεγγάρια της Γαλιλαίας” από τον ανακάλυπτό τους τον 17ο αιώνα. Η Ιώ είναι το πιο εσωτερικό φεγγάρι της Γαλιλαίας. Με τα διαστημικά σκάφη Pioneer 11 στα μέσα της δεκαετίας του 1970, το Galileo από το 1995 έως το 2003 και σήμερα το Juno, τριών διαστημικές αποστολές έχουν αποτολμήσει μέχρι στιγμής σε αυτό το πιο εσωτερικό μέρος αυτών ακτινοβολία ιμάντες και πραγματοποιήθηκαν επιτόπιες μετρήσεις. «Δυστυχώς, τα δεδομένα από το Pioneer 11 και το Juno δεν μας επιτρέπουν να συμπεράνουμε χωρίς αμφιβολία τι είδους ιόντων το διαστημόπλοιο βρέθηκε εκεί”, λέει ο επιστήμονας του MPS Δρ Ηλίας Ρούσσος, επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης, περιγράφοντας την τρέχουσα κατάσταση της έρευνας. “Ως εκ τούτου, οι ενέργειες και η προέλευσή τους ήταν επίσης ασαφείς μέχρι τώρα”, προσθέτει. Μόνο τα δεδομένα που ανακαλύφθηκαν εκ νέου από τους τελευταίους μήνες της αποστολής Galileo είναι αρκετά λεπτομερής για να βελτιώσει αυτή την κατάσταση.

Περνώντας στις εσωτερικές ζώνες ακτινοβολίας

Το διαστημόπλοιο Galileo της NASA έφτασε στο σύστημα του Δία το 1995. Εξοπλισμένο με τον μετρητή βαρέων ιόντων (HIC), που συνεισέφερε το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια και τον Ανιχνευτή Ενεργειακών Σωματιδίων (EPD), που αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής Johns Hopkins σε συνεργασία με το MPS, η αποστολή πέρασε τα επόμενα οκτώ χρόνια παρέχοντας θεμελιώδεις γνώσεις σχετικά με την κατανομή και τη δυναμική των φορτισμένων σωματιδίων γύρω από τον γίγαντα αερίου. Ωστόσο, για να προστατεύσει το διαστημόπλοιο, αρχικά πέταξε αποκλειστικά μέσα από τις εξωτερικές, λιγότερο ακραίες περιοχές των ζωνών ακτινοβολίας. Μόνο το 2003, λίγο πριν το τέλος της αποστολής, όταν ένας μεγαλύτερος κίνδυνος ήταν δικαιολογημένος, ο Galileo τολμούσε στην πιο εσωτερική περιοχή εντός των τροχιών των φεγγαριών Αμάλθεια και Θήβα. Από τον Δία, η Αμάλθεια και η Θήβα είναι το τρίτο και τέταρτο φεγγάρι του γιγάντιου πλανήτη. Οι τροχιές της Ιώ και της Ευρώπης βρίσκονται πιο έξω.

“Λόγω της έκθεσης σε ισχυρή ακτινοβολία, ήταν αναμενόμενο ότι τα δεδομένα μετρήσεων από το HIC και το EPD από την εσωτερική περιοχή της ζώνης ακτινοβολίας θα ήταν σε μεγάλο βαθμό αλλοιωμένα. Εξάλλου, κανένα από αυτά τα δύο όργανα δεν ήταν ειδικά σχεδιασμένο για να λειτουργεί σε τέτοια ένα σκληρό περιβάλλον», περιγράφει ο Ρούσσος τις προσδοκίες του όταν ξεκίνησε να εργάζεται στην τρέχουσα μελέτη πριν από τρία χρόνια. Ωστόσο, ο ερευνητής ήθελε να το δει μόνος του. Ως μέλος της αποστολής Cassini της NASA, είχε δει τις τελικές, παρόμοια τολμηρές τροχιές του Cassini στον Κρόνο δύο χρόνια νωρίτερα και ανέλυσε τα μοναδικά δεδομένα από εκείνη την τελική φάση της αποστολής. «Η σκέψη της αποστολής Galileo που ολοκληρώθηκε εδώ και καιρό ερχόταν συνέχεια στο μυαλό μου», θυμάται ο Ρούσσος. Προς δική του έκπληξη, ανάμεσα σε πολλά μη χρησιμοποιήσιμα σύνολα δεδομένων υπήρχαν επίσης μερικά που μπορούσαν να υποβληθούν σε επεξεργασία και να αναλυθούν με μεγάλη προσπάθεια.

Αινιγματικά ιόντα οξυγόνου

Με τη βοήθεια αυτού του επιστημονικού θησαυρού, οι συγγραφείς της τρέχουσας μελέτης μπόρεσαν τώρα να προσδιορίσουν για πρώτη φορά τη σύνθεση ιόντων εντός των εσωτερικών ζωνών ακτινοβολίας, καθώς και τις ταχύτητες και τη χωρική κατανομή των ιόντων. Σε αντίθεση με τις ζώνες ακτινοβολίας της Γης και του Κρόνου, οι οποίες κυριαρχούνται από πρωτόνια, η περιοχή εντός της τροχιάς της Ιο περιέχει επίσης μεγάλες ποσότητες από τα πολύ βαρύτερα ιόντα οξυγόνου και θείου, με τα ιόντα οξυγόνου να επικρατούν μεταξύ των δύο. «Η κατανομή ενέργειας των βαρέων ιόντων έξω από την τροχιά της Αμάλθειας υποδηλώνει ότι εισάγονται σε μεγάλο βαθμό από μια πιο μακρινή περιοχή των ζωνών ακτινοβολίας», λέει ο Ρούσσος. Το φεγγάρι Io, με τα περισσότερα από 400 ενεργά ηφαίστειά του, τα οποία εκτοξεύουν επανειλημμένα μεγάλες ποσότητες θείου και διοξειδίου του θείου στο διάστημα -και σε μικρότερο βαθμό, την Ευρώπη- είναι πιθανώς οι κύριες πηγές.

Πιο μέσα, μέσα στην τροχιά της Αμάλθειας, η σύνθεση των ιόντων αλλάζει δραστικά προς όφελος του οξυγόνου. «Η συγκέντρωση και η ενέργεια των ιόντων οξυγόνου εκεί είναι πολύ υψηλότερη από την αναμενόμενη», λέει ο Ρούσσος. Στην πραγματικότητα, η συγκέντρωση θα πρέπει να μειώνεται σε αυτήν την περιοχή, καθώς τα φεγγάρια Αμάλθεια και Θήβα απορροφούν τα εισερχόμενα ιόντα. Οι τροχιές των δύο μικρών φεγγαριών σχηματίζουν έτσι ένα είδος φυσικού φράγματος ιόντων. Αυτή η συμπεριφορά είναι, για παράδειγμα, γνωστή από τις ζώνες ακτινοβολίας του συστήματος του Κρόνου με τα πολλά φεγγάρια του.

Η μόνη εξήγηση για την αυξημένη συγκέντρωση ιόντων οξυγόνου είναι επομένως μια άλλη τοπική πηγή στην πιο εσωτερική περιοχή των ζωνών ακτινοβολίας. Η απελευθέρωση οξυγόνου μετά τις συγκρούσεις ιόντων θείου με τα λεπτά σωματίδια σκόνης των δακτυλίων του Δία αποτελεί μια πιθανότητα, όπως δείχνουν οι προσομοιώσεις υπολογιστή των ερευνητών. Οι δακτύλιοι, που είναι πολύ πιο αμυδροί από τους Κρόνους, εκτείνονται περίπου μέχρι την τροχιά της Θήβας. Ωστόσο, είναι επίσης κατανοητό ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής συχνότητας στο μαγνητοσφαιρικό περιβάλλον των εσωτερικών ζωνών ακτινοβολίας θερμαίνουν ιόντα οξυγόνου στις παρατηρούμενες ενέργειες.

«Προς το παρόν, δεν είναι δυνατό να γίνει διάκριση υπέρ κάποιας από αυτές τις πιθανές πηγές», λέει ο Ρούσσος. Οποιοσδήποτε από αυτούς τους δύο υποψήφιους μηχανισμούς, ωστόσο, έχει παραλληλισμούς με την παραγωγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας σε αστρικά ή εξωηλιακά περιβάλλοντα, αποδεικνύοντας περαιτέρω ότι οι ζώνες ακτινοβολίας του Δία εκτείνονται στο αστροφυσικό βασίλειο, γεγονός που ο ερευνητής ελπίζει ότι θα δικαιολογούσε τη μελλοντική τους εξερεύνηση με μια ειδική διαστημική αποστολή .