سرعت بادهای مشتری اندازه‌گیری شد

ما در زمانه‌ای به سر می‌بریم که کشف سیاراتی که به دور ستاره دیگری می‌چرخند، تقریباً عادی شده است و تاکنون بیش از ۵۰۰۰ سیاره فراخورشیدی ثبت شده داریم. اولین دنیاهای فراخورشیدی دوردست که وارد این فهرست شدند، عمدتاً سیاره‌های غول پیکری بودند که مشابه مشتری و زحل هستند، اما از جهاتی بسیار متفاوت هستند.

از طرفی در حالی که اخترفیزیکدانان شروع به دستیابی به داده‌هایی در مورد جو سیارات فراخورشیدی کرده‌اند، هنوز به سؤالات اساسی در مورد جو بزرگترین سیاره منظومه شمسی –مشتری- پاسخ داده نشده است. برای درک آنچه در ابرها و لایه‌های هوای مشتری اتفاق می‌افتد، لازم است آن را در طول زمان در مشاهدات مستمر بررسی کنیم.

برای اولین بار، ابزاری که برای یافتن و تجزیه و تحلیل جهان‌هایی که سال‌های نوری دورتر از ما هستند، ساخته شده است، به سمت هدفی در منظومه شمسی در فاصله ۴۳ دقیقه نوری از زمین، یعنی سیاره مشتری نشانه رفته است.پژوهشگران موسسه اخترفیزیک و علوم فضایی در دانشکده علوم دانشگاه لیسبون پرتغال از طیف نگار اسپرسو(ESPRESSO) که بر روی تلسکوپ بسیار بزرگ(VLT) در رصدخانه جنوبی اروپا(ESO) نصب شده برای اندازه‌گیری سرعت بادهای مشتری استفاده کردند و نتایج آن اکنون در مجله Universe منتشر شده است.

روشی که این تیم توسعه داد، «سرعت‌سنجی داپلر» نام دارد و بر اساس انعکاس نور مرئی از خورشید توسط ابرها در جو سیاره هدف تعریف شده است. این نور منعکس شده در طول موج متناسب با سرعت حرکت ابرها نسبت به تلسکوپ روی زمین خم می‌شود و این، سرعت لحظه‌ای بادها را در نقطه مشاهده شده نشان می‌دهد.
روشی که اکنون با اسپرسو استفاده می‌شود توسط گروه تحقیقاتی سامانه‌های سیاره‌ای موسسه اخترفیزیک و علوم فضایی دانشگاه علوم دانشگاه لیسبون پرتغال با طیف‌نگارهای دیگر برای مطالعه جو سیاره زهره توسعه داده شد. پژوهشگران بادهای این سیاره همسایه را اندازه‌گیری کرده‌اند و چندین سال است که در مدل‌سازی جو کلی آن مشارکت دارند.

کاربرد اکتشافی این روش با ابزاری مانند اسپرسو منجر به موفقیتی شده است که افق‌های جدیدی را به روی دانش همسایه کیهانی ما می‌گشاید. این کار امکان نظارت منظم بر دورترین جو در سیارات گازی را فراهم می‌کند.
این تیم به مدت پنج ساعت تلسکوپ بسیار بزرگ را به سمت منطقه استوایی مشتری نشانه گرفت، جایی که ابرهای سبک در ارتفاع بالاتر و در کمربندهای استوایی شمالی و جنوبی این سیاره قرار دارند که مربوط به هوای نزولی است و نوارهایی از ابرهای تاریک و گرم‌تر را در لایه عمیق‌تری از جو تشکیل می‌دهد.

پدرو ماچادو عضو این تیم تحقیقاتی می‌گوید: جو مشتری در سطح ابرهای قابل مشاهده از زمین، حاوی آمونیاک، هیدروسولفید آمونیوم و آب است که نوارهای قرمز و سفید متمایز را تشکیل می‌دهند. همچنین ابرهای بالایی که در ناحیه فشار ۰.۶ تا ۰.۹ بار قرار دارند از یخ آمونیاک ساخته شده‌اند.

وی افزود: ابرهای آبی متراکم‌ترین و پایین‌ترین لایه را تشکیل می‌دهند و قوی‌ترین تأثیر را بر پویایی جو مشتری دارند.این تیم با اسپرسو توانست سرعت بادهای مشتری را از ۶۰ تا ۴۲۸ کیلومتر در ساعت با عدم قطعیت کمتر از ۳۶ کیلومتر در ساعت تخمین بزند.

این مشاهدات که با ابزاری با وضوح بالا بر روی یک سیاره گازی به دست آمده است، چالش‌های خود را دارد. یکی از دشواری‌ها بر نقطه‌ی تمرکز بر مشتری استوار است، یعنی اینکه دقیقاً بدانیم به کدام نقطه از این سیاره نگاه کنیم.

ماچادو می‌گوید: دشواری به این موضوع مربوط می‌شود که وقتی سرعت چرخش مشتری در خط استوای آن حدود ۱۰ کیلومتر در ثانیه است، سرعت بادها را با دقت چند متر بر ثانیه اندازه‌گیری کنیم که این موضوع، مسائل را پیچیده‌تر می‌کرد، چرا که مشتری یک سیاره گازی است و سنگی نیست، بنابراین بسته به عرض جغرافیایی نقطه‌ای که مشاهده می‌کنیم، با سرعت‌های متفاوتی می‌چرخد.

این تیم همچنین برای بررسی اثربخشی روش «سرعت‌سنجی داپلر» با تلسکوپ‌های روی زمین در اندازه‌گیری بادهای مشتری، اندازه‌گیری‌های به دست آمده در گذشته را به منظور مقایسه نتایج جمع‌آوری کرد. بیشتر داده‌های موجود توسط ابزارهای موجود در فضا جمع‌آوری شد و از روش متفاوتی استفاده شد که شامل به دست آوردن مقادیر میانگین سرعت باد با پیروی از الگوهای ابر در تصاویر گرفته شده در زمان‌های نزدیک است.

سازگاری و ثبات میان این تاریخ و مقادیر اندازه‌گیری شده در مطالعه منتشر شده، امکان اجرای روش سرعت‌سنجی داپلر را در برنامه‌ای برای نظارت بر بادهای مشتری از زمین تایید می‌کند.این نظارت به تیم تحقیقاتی اجازه داد تا داده‌هایی را در مورد چگونگی تغییر بادها در طول زمان جمع‌آوری کند که برای توسعه یک مدل قابل اعتماد برای گردش جهانی جو مشتری ضروری است.

این مدل محاسباتی باید تفاوت‌های بادها را بسته به عرض جغرافیایی و طوفان‌های مشتری بازتولید کند تا به درک علل پدیده‌های جوی که در این سیاره مشاهده می‌کنیم، کمک کند. همچنین این مدل به آماده‌سازی مشاهدات آینده با اطلاعات مربوط به فشار و ارتفاع ابرها در دید تلسکوپ کمک می‌کند.

این تیم قصد دارد مشاهدات با اسپرسو را به پوشش بیشتری از صفحه سیاره مشتری گسترش دهد و همچنین به طور موقت داده‌های باد را در کل دوره چرخش سیاره که تقریباً ۱۰ ساعته است، جمع‌آوری کند. محدود کردن مشاهدات در محدوده‌های مشخصی از طول موج‌ها، اندازه‌گیری بادها در ارتفاعات مختلف را نیز ممکن می‌سازد، بنابراین اطلاعاتی در مورد انتقال عمودی لایه‌های هوا نیز به دست می‌آید.

این تیم امیدوار است هنگامی که این روش برای بزرگترین سیاره منظومه شمسی به خوبی جواب دهد، آن را در جو سایر سیارات گازی امتحان کند. گفتنی است که هدف بعدی این تیم سیاره گازی زحل است.موفقیت این مشاهدات با اسپرسو در توسعه جانشین آن موسوم به آندس(ANDES) که برای تلسکوپ بس‌بزرگ(ELT) در حال ساخت در شیلی متعلق به رصدخانه جنوبی اروپا(ESO) و همچنین ماموریت آینده JUICE از آژانس فضایی اروپا که به رصد سیاره مشتری اختصاص دارد، مهم است.