Resuelto el misterio de las auroras de rayos X de Júpiter: sabemos qué las causa y cómo ocurren

Astrónomos planetarios llevan décadas estudiando las emisiones de las auroras de rayos X de Júpiter. Sus ‘colores’ muestran que estas auroras son provocadas por partículas cargadas eléctricamente –los iones– que chocan contra la atmósfera del gigante gaseoso. Pero los investigadores no tenían ni idea de cómo los iones eran capaces de llegar a la atmósfera del planeta.

Ahora, por primera vez, los astrónomos han podido ver cómo los iones “surfean” las ondas electromagnéticas del campo magnético de Júpiter hasta llegar a la atmósfera.

Estas observaciones provienen de un análisis de los datos del observatorio espacial de rayos X XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la sonda Juno de la NASA. El primer instrumento, que se sitúa en la órbita terrestre, realiza observaciones remotas de Júpiter en longitudes de onda de rayos X. Juno, por su parte, rodea el planeta joviano y realiza lecturas in situ desde el interior del campo magnético. ¿Pero qué estaban buscando exactamente?

La clave llegó cuando Zhonghua Yao, investigador del Instituto de Geología y Geofísica de la Academia de Ciencias de China y autor principal del estudio, se dio cuenta de que había algo que no tenía mucho sentido en las auroras de rayos X de Júpiter.

En la Tierra, las auroras solo son visibles en un cinturón que rodea los polos magnéticos, entre los 65 y 80 grados de latitud. Más allá de este punto, las emisiones de las auroras desaparece porque las líneas del campo magnético salen de la Tierra y se conectan con el campo magnético del viento solar, el flujo constante de partículas cargadas eléctricamente que eyecta el Sol. Estas líneas se denominan “líneas de campo abierto” y, según esta descripción tradicional, no se espera que las regiones polares de Júpiter y Saturno emitan auroras sustanciales.

Sin embargo, las auroras de rayos X de Júpiter no concuerdan con esta descripción: se encuentran en dirección hacia los polos del cintorón auroral principal, pulsan con regularidad y en ocasiones pueden ser diferentes en el polo norte y sur. Estas son algunas características típicas de un campo magnético cerrado, en el que la línea del campo magnético surge de un polo y se reconecta con el planeta por el contrario.

Mediante simulaciones por ordenador, Zhonghua y sus compañeros descubrieron hace años que las auroras pulsantes de rayos X podrían estar relacionadas con campos magnéticos cerrados que se generan en el interior de Júpiter y que se extienden por millones de kilómetros en el espacio antes de regresar al planeta.

Los días 16 y 17 de julio de 2017, el instrumento XMM-Newton observó Júpiter de forma continua durante 26 horas y vio auroras de rayos X pulsantes cada 27 minutos. De manera simultánea, Juno estuvo viajando entre los radios 62 y 68 de Júpiter, por encima de las zonas del planeta antes del amanecer. Esta era la zona exacta que, según las simulaciones, era importante para desencadenar las pulsaciones. Con ambos instrumentos en situación, esperaban encontrar cualquier proceso magnético que estuviera suciediendo al mismo tiempo.

Así, descubrieron que las auroras pulsantes de rayos X están causadas por fluctuaciones del campo magnético de Júpiter y, cuando el planeta rota, lo arrastra. Este campo magnético es golpeado directamente por las partículas del viento solar y se comprime. Es precisamente esta comprensión lo que calienta las partículas que quedan atrapadas en el campo magnético joviano y desencadena un fenómeno llamado ondas electromagnéticas de ion-ciclotrón (EMIC, por sus siglas en inglés) que redirige las partículas a lo largo del campo magnético.

Guiados por el campo de Júpiter, los iones “surfean” las ondas EMIC a través de millones de kilómetros de espacio, para acabar chocando con la atmósfera del planeta y desencadenando las auroras de rayos X.

“Lo que vemos en los datos de Juno es esta hermosa cadena de acontecimientos. Vemos cómo se produce la compresión, vemos cómo se desencadena la onda EMIC, vemos los iones, y luego vemos un pulso de iones viajando a lo largo de la línea de campo. Unos minutos después, el XMM ve una ráfaga de rayos X”, describe William Dunn, investigador del Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales (MSSL) y codirector del estudio.

Próximos estudios

Ahora que se ha logrado identificar por primera vez el proceso que desencadena estas auroras, se abre un abanico de posibilidades sobre qué parte de las auroras estudiar, apuntan los autores. Por ejemplo, el campo magnético de Júpiter está repleto de iones de azufre y oxígeno que son expulsados por los volcanes del satélite Io. En la órbita de Saturno, la luna Encédalo lanza agua al espacio, llenando el campo magnético de este planeta con iones del grupo agua.

Según Zhonghua, el proceso que ocurre en Júpiter “también es aplicable a Saturno, Urano, Neptuno y probablemente a los exoplanetas” y también guarda una similitud con las auroras iónicas que se producen en la Tierra. En este último caso, el ion responsable es un protón que procede de un átomo de hidrógeno, con un proceso que no es lo suficientemente energético como para crear rayos X.

Por su parte, Dunn asegura que las ondas EMIC “desempeñan un papel importante en la transferencia de energía de un lugar a otro a través del cosmos”.

El estudio de las auroras de Júpiter continuará con el explorador de lunas heladas Juice de la ESA, que llegará al gigante gaseoso en 2029 y estudiará su atmósfera, su magnetosfera y el efecto que sus cuatro satélites más grandes producen en las auroras.

Referencia:

Z.H. Yao, W.R. Dunn et al. “Revealing the source of Jupiter’s x-ray auroral flares”. Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abf0851.