Ein Bild von Jupiter.(Bildnachweis: NASA/ESA/Amy Simon (NASA-GSFC))
Wissenschaftler und Amateurastronomen haben sich zusammengetan, um die lange Zeit vorherrschende Annahme zu widerlegen, dass die ikonischen wirbelnden Wolken des Jupiters aus gefrorenem Ammoniak bestehen – eine ziemlich grundlegende Enthüllung über den Gasriesen, den wir gut zu kennen glaubten.
Ein Amateurastronom namens Steve Hill sammelte mit handelsüblichen Teleskopen und Spektralfiltern Daten, um den Ammoniakgehalt der Jupiteratmosphäre zu kartieren. Dabei fand er etwas, das den bisherigen Modellen über die atmosphärische Zusammensetzung des Gasriesen widersprach.
„Ich war fasziniert!“ sagte Patrick Irwin von der University of Oxford gegenüber kosmischeweiten.de. „Zuerst war ich skeptisch, dass Steves Methode so detaillierte Ammoniak-Karten erstellen kann.“ Aber als sich die Analyse entfaltete, wichen die Zweifel der Begeisterung – es war klar, dass Hill auf der richtigen Spur war.
Die Atmosphäre des Jupiters besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, mit geringen Mengen von Ammoniak, Methan, Wasserdampf und anderen Gasen. Die letztgenannten Bestandteile kondensieren auf verschiedenen Ebenen und bilden Wolken, die das Sonnenlicht reflektieren und dem Planeten sein markantes Aussehen verleihen. Da bekannt ist, dass Ammoniak in der Jupiteratmosphäre vorkommt und bei dem niedrigsten Druck aller bekannten Gase kondensiert (oder Wolken bildet), nahmen die Wissenschaftler weithin an, dass die wichtigsten beobachtbaren oberen Wolken des Planeten aus Ammoniakeis bestehen.
„Astronomen gehen immer von einem einfachen Modell aus, es sei denn, es gibt überwältigende Beweise, dass dieses einfache Modell fehlerhaft ist“, sagte Irwin. „Da wir Ammoniakgas in der Jupiteratmosphäre sehen können […] , wurde einfach angenommen, dass die wichtigsten beobachtbaren Wolken des Jupiters höchstwahrscheinlich aus Ammoniakeis bestehen.“
Irwin lernte Hill erstmals 2023 durch einen gemeinsamen Kontakt bei der British Astronomical Society kennen, nachdem Hill seine faszinierenden Beobachtungen vorgestellt hatte. „[Steve] war daran interessiert, mit einem professionellen Astronomen zusammenzuarbeiten, um seinen Ansatz zu analysieren und zu validieren“, so Irwin. „Er wandte eine Technik an, die erstmals in den 70er und 80er Jahren verwendet wurde und die sichtbaren Absorptionsbanden von Ammoniak und Methan bei roten Wellenlängen nutzt. Obwohl diese Technik gut bekannt ist, wurde sie seitdem nicht mehr häufig verwendet.
Die Technik wird als Banden-Tiefen-Analyse bezeichnet und dient zur Schätzung der Konzentration eines bestimmten Gases auf der Grundlage der Lichtabsorption bei den für dieses Gas spezifischen Wellenlängen – in diesem Fall Methan und Ammoniak.
Hill verwendete die Absorptionsbanden von Methan (619 nm) und Ammoniak (647 nm), beides bekannte Merkmale im sichtbaren Spektrum des Jupiters, um die Häufigkeit dieser Gase über den Wolkenoberseiten des Jupiters zu berechnen. Die Absorption von Methan bei 619 nm dient als zuverlässiger Bezugspunkt, da die Häufigkeit von Methan gut bekannt ist und seine Absorption zur Bestimmung des Druckniveaus verwendet werden kann. Durch den Vergleich mit der Absorption von Ammoniak bei 647 nm konnte Hill die Verteilung von Ammoniak über den Jupiterwolken mit erstaunlich hoher Genauigkeit berechnen und kartieren.
„Wir wissen, dass Methan in der Atmosphäre gut vermischt ist, und wir haben eine gute Schätzung seiner Häufigkeit“, erklärte Irwin. „Wir können also den Unterschied in der Reflexion zwischen [Bildern] , die in diesen beiden Absorptionsbanden beobachtet wurden, nutzen, um sowohl den Druck in der Wolkendecke als auch die relative Häufigkeit von Ammoniak zu bestimmen.“
Das Team fand heraus, dass das reflektierte Licht aus Wolkenschichten stammt, in denen der Luftdruck zu hoch und die Temperaturen zu warm sind, um Ammoniak zu kondensieren. „Die Beobachtungen zeigen sehr deutlich, dass die Hauptreflexionsschicht […] viel tiefer liegt als das erwartete Kondensationsniveau von Ammoniak bei 0,7 bar, nämlich viel tiefer bei 2 bis 3 bar“, so Irwin.
Es blieb nur der Schluss, dass Ammoniakeis nicht der Hauptbestandteil von Jupiters Wolken sein kann. Die Modellierung sagt stattdessen voraus, dass die Wolken höchstwahrscheinlich aus Ammoniumhydrogensulfid und möglicherweise aus Smog bestehen, der durch photochemische Reaktionen in der Atmosphäre entsteht, da die Färbung der Wolken nicht mit reinem Eis vereinbar ist.
„Wir wissen jedoch nicht mit Sicherheit, dass es sich um diese Zusammensetzung handelt“, fügte Irwin hinzu. „Es wurde auch vorgeschlagen, dass die Wolken aus einer exotischen Kombination von Wasser und Ammoniak bestehen könnten.
Was es aber zeigt, so Irwin weiter, ist, dass in der Jupiteratmosphäre eine komplexe Photochemie abläuft. „Es scheint, dass Ammoniak in den meisten Regionen schneller photolysiert und zerstört wird, als es nach oben befördert werden kann“, sagte Irwin. „Reine Ammoniakeiswolken sind also eher selten und auf kleine Regionen mit sehr schneller und starker Konvektion beschränkt.“
Hills Beobachtungen und Theorie wurden mit Irwins Hilfe durch einen Vergleich mit fortschrittlicheren Techniken validiert, wobei Daten des MUSE-Instruments am Very Large Telescope (VLT) der ESO, des Very Large Array (VLA) und der Juno-Mission der NASA analysiert wurden. Dies ist von großer Bedeutung, da es nicht nur diese aufregenden Ergebnisse bestätigt, sondern auch die Beobachtung von Jupiter – und anderen ähnlichen Planeten wie Saturn – zugänglicher und leichter durchführbar macht.
„Wo Ammoniak vorkommt und wo nicht, ist ein wichtiger Indikator für die Wetterprozesse auf dem Jupiter und somit wichtig für das Verständnis des Planeten und anderer Planeten“, schrieb Hill in seiner Originalarbeit, die letztes Jahr in der Zeitschrift Earth and Space Science veröffentlicht wurde.
Obwohl es sich um einen aufregenden Durchbruch handelt, räumen die Wissenschaftler ein, dass es noch Einschränkungen gibt, die beseitigt werden müssen. Zum einen hängen die aktuellen Ergebnisse von einem angenommenen „vertikalen“ Profil des Ammoniaks ab, von dem Wissenschaftler oft annehmen, dass es konstant ist.
„In Wirklichkeit ist es viel wahrscheinlicher, dass sie mit der Höhe unterhalb des Ammoniak-Kondensationsniveaus variiert, aber das ist mit unseren Beobachtungen nicht leicht einzugrenzen“, sagt Irwin. „Wir müssen die Ergebnisse von VLT/MUSE, Juno und VLA genauer miteinander vergleichen. Eine Lösung sollte für alle Beobachtungen passen, aber wir müssen noch ein wenig daran arbeiten, um herauszufinden, wie das vertikale Profil des Ammoniaks an verschiedenen Stellen der Jupiteratmosphäre aussieht.“
Die Astronomen haben ihre Technik auch auf Beobachtungen des Saturns angewandt und dabei ebenfalls festgestellt, dass die Reflexion an der Hauptwolkenschicht tiefer liegt als bisher erwartet – ebenfalls weit unter dem Niveau, in dem Ammoniak zu Wolken kondensieren würde. „Dies deutet darauf hin, dass auch in der Saturnatmosphäre ähnliche photochemische Prozesse ablaufen“, so Irwin weiter. „Wir bestimmen auch die Tiefenhäufigkeit von Ammoniak und stellen fest, dass sie mit den jüngsten Beobachtungen des James Webb Space Telescope übereinstimmt.“
Diese Arbeit unterstreicht, wie die Beiträge sowohl von professionellen als auch von Amateurastronomen die Grenzen unseres Verständnisses erweitern. Selbst scheinbar „einfache“ Beobachtungen können wertvolle Erkenntnisse liefern und unser Wissen über den Kosmos erweitern.
