Jupiter blijkt niet uniform; verdeling metalen zegt veel over oorsprong

Een internationaal team van astronomen, onder leiding van Yamila Miguel (SRON/Leidse Sterrewacht), heeft ontdekt dat de gassen in Jupiters omhulsel niet uniform zijn verdeeld. Het binnenste deel bevat meer metalen dan het buitenste. Bij elkaar opgeteld zijn de metalen goed voor 11 tot 30 keer het gewicht van de Aarde, dus 3-9% van Jupiters totale gewicht. Dat is genoeg om te concluderen dat kilometersbrede ruimterotsen—planetesimalen—een rol moeten hebben gespeeld in de formatie van Jupiter. Publicatie op 8 juni in Astronomy & Astrophysics.

*Deze opname van de turbulente atmosfeer van Jupiter is op 30 december 2020 gemaakt door NASA-ruimtesonde Juno. Klik om te vergroten. © NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS*

Toen ruimtemissie Juno (NASA) in 2016 bij Jupiter arriveerde, vingen we een glimp op van de wonderlijke schoonheid van de grootste planeet in ons zonnestelsel. Buiten de beroemde Grote Rode Vlek blijkt Jupiter bezaaid te zijn met nog veel meer orkanen, die hem bijna de verschijning en mystiek geven van een Van Gogh schilderij. Het omhulsel van de planeet, onder de dunne zichtbare laag, is daarentegen niet meteen waarneembaar. Toch is Juno in staat om er een beeld van te schetsen door het zwaartekrachtsveld te meten boven verschillende locaties. Dat biedt astronomen informatie over de inwendige samenstelling, die anders is dan wat we zien aan het oppervlak.

Een internationaal team van astronomen, onder leiding van Yamila Miguel (SRON/Leidse Sterrewacht), heeft nu ontdekt dat het omhulsel niet zo homogeen en gemengd is als eerder gedacht. In plaats daarvan loopt de concentratie van “metalen”—elementen zwaarder dan waterstof en helium—op naarmate je dichter bij het centrum van de planeet komt. Om tot hun conclusies te komen, heeft het team een aantal theoretische modellen gebouwd die zich houden aan de limieten die de waarnemingen van Juno opwerpen.

De verdeling van metalen is voor astronomen interessant omdat die ze informatie geeft over hoe een planeet is ontstaan. In Jupiters omhulsel blijken de metalen niet uniform verdeeld, met meer in het binnenste deel dan in het buitenste deel. In totaal is er tussen de 11 en 30 maal de massa van de Aarde aan metalen te vinden. Miguel: ‘Er zijn twee mechanismen voor een gasreus als Jupiter om metalen te verwerven tijdens zijn formatie: via het aantrekken van kleine steentjes of van grotere planetesimalen. We weten dat als een babyplaneet eenmaal groot genoeg is, hij de kleine steentjes weg gaat duwen. De rijkdom aan metalen binnen Jupiter die we nu zien is onmogelijk te verwerven vóór dat moment. Dus we kunnen het scenario uitsluiten met alleen steentjes als vaste stoffen tijdens Jupiters formatie. Planetesimalen zijn te groot om te weg te duwen, dus die moeten een rol hebben gespeeld.’

De ontdekking dat het binnenste deel van het omhulsel meer zware elementen heeft dan het buitenste deel, betekent dat de hoeveelheid gestaag afneemt naar buiten toe, in plaats van dat er een homogene mix is door het hele omhulsel. ‘Eerder dachten we dat Jupiter convectie heeft, zoals kokend water, wat het compleet door elkaar zou husselen,’ zegt Miguel. ‘Maar onze ontdekking laat iets anders zien.’

Publicatie

Y. Miguel, M. Bazot, T. Guillot, S. Howard, E. Galanti, Y. Kaspi, W. B. Hubbard, B. Militzer, R. Helled, S. K. Atreya, J. E. P. Connerney, D. Durante, L. Kulowski, J. I. Lunine, D. Stevenson, S. Bolton, ‘Jupiter’s inhomogeneous envelope’, Astronomy & Astrophysics

Jupiter turns out to be inhomogeneous; metallicity gives clues about origin

An international team of astronomers, led by Yamila Miguel (SRON/Leiden Observatory), has found that Jupiter’s gaseous envelope doesn’t have a homogeneous distribution. The inner part has more metals than the outer parts, adding up to a total of between 11 and 30 earth masses, meaning 3-9% of Jupiter’s total mass. This is a high enough metallicity to conclude that kilometer-sized bodies—planetesimals—must have played a role in Jupiter’s formation. Publication on June 8th in Astronomy & Astrophysics.

*Deze opname van de turbulente atmosfeer van Jupiter is op 30 december 2020 gemaakt door NASA-ruimtesonde Juno. Click to enlarge. © NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS*

When NASA’s Juno space mission arrived at Jupiter in 2016, we caught a glimpse of the remarkable beauty of the biggest planet in our Solar System. Besides the famous Great Red Spot, Jupiter turns out to be littered with hurricanes, almost giving it the appearance and mystique of a Van Gogh painting. The planet’s envelope underneath the thin visible layer however, is not immediately apparent. Still, Juno is able to paint us a picture by sensing the gravitational pull above different locations on Jupiter. This gives astronomers information about the composition of the interior, which is not like what we see on the surface.

An international team of astronomers, led by Yamila Miguel (SRON/Leiden Observatory), now found that the gaseous envelope is not as homogenous and well-mixed as previously thought. Instead it has a higher concentration of “metals”—elements heavier than hydrogen and helium—towards the center of the planet. To reach their conclusions, the team built a number of theoretical models that adhere to the observational constraints measured by Juno.

The team studied the distribution of metals because it gives them information about how Jupiter was formed. The metals turn out to be not distributed homogeneously across the envelope, with more in the inner part than in the outer parts. The total adds up to between 11 and 30 earth masses worth of metals. Miguel: ‘There are two mechanisms for a gas giant like Jupiter to acquire metals during its formation: through the accretion of small pebbles or larger planetesimals. We know that once a baby planet is big enough, it starts pushing out pebbles. The richness of metals inside Jupiter that we see now is impossible to achieve before that. So we can exclude the scenario with only pebbles as solids during Jupiter’s formation. Planetesimals are too big to be blocked, so they must have played a role.’

The finding that the inner part of the envelope has more heavy elements than the outer part, means that the abundance decreases outward with a gradient, instead of there being a homogeneous mixing across the envelope. ‘Earlier we thought that Jupiter has convection, like boiling water, making it completely mixed,’ says Miguel. ‘But our finding shows differently.’