Polarlichter entstehen, wenn hochenergetische Teilchen in die Atmosphäre eines Planeten in der Nähe der magnetischen Pole eindringen und mit Gasatomen zusammenstoßen. Jupiters Polarlichter sind nicht nur von enormer Größe, sondern auch hundertmal energiereicher als Polarlichter auf der Erde. Diese intensiven Polarlichter werden durch Sonnenstürme verursacht - wenn geladene Teilchen auf die obere Atmosphäre niederprasseln und Gase anregen, die rot, grün und violett leuchten.

Auf dem Jupiter gibt es jedoch noch eine weitere Quelle für Polarlichter: Das starke Magnetfeld des Gasriesen fängt geladene Teilchen aus seiner Umgebung ein. Dazu gehören nicht nur geladene Teilchen im Sonnenwind, sondern beispielsweise auch Teilchen, die von dem für seine großen Vulkane bekannten Mond Io ins All ausgestoßen werden. Die Vulkane von Io stoßen Teilchen aus, die sich auf bemerkenswerte Weise der Schwerkraft des Mondes entziehen und den Jupiter umkreisen können.

Eine Flut geladener Teilchen, die von der Sonne während Sonnenstürmen ausgestoßen wird, erreicht ebenfalls den Planeten. Das große und starke Magnetfeld des Jupiters beschleunigt sie dann auf enorme Geschwindigkeiten. Die schnellen Teilchen prallen dann mit großer Energie auf die Atmosphäre des Planeten, regen das Gas an und bringen es zum Leuchten.

Jetzt haben die einzigartigen Möglichkeiten des James-Webb-Weltraumteleskops den Forschern neue Einblicke in die Funktionsweise von Jupiters Polarlichtern gewährt. Die Empfindlichkeit des Teleskops ermöglicht es den Astronomen, die Belichtungszeiten zu erhöhen, um die sich schnell verändernden Polarlichtphänomene zu erfassen. Die neuen Daten wurden von der Nahinfrarotkamera (NIRCam) des Webb-Teleskops an Weihnachten 2023 von Jonathan Nichols, dem Leiter eines Forschungsteams an der Universität von Leicester, aufgenommen.

"Wir wollten untersuchen, wie schnell sich das Polarlicht verändert, und erwarteten, dass es gemütlich verblasst, vielleicht alle Viertelstunde. Stattdessen beobachteten wir, dass die gesamte Arktis flackerte und blinkte, manchmal im Sekundentakt", sagt der Forscher.

Die Daten der Experten zeigten, dass die Emission eines Wasserstoffions, das als H3+ bekannt ist, variabler ist als bisher angenommen. Die Beobachtungen könnten den Forschern helfen, besser zu verstehen, wie sich die obere Atmosphäre des Jupiters erwärmt und abkühlt. Aber das Team entdeckte auch einige unerklärliche Dinge in den Daten.

"Was diese Beobachtungen noch spezieller machte, war, dass wir zur gleichen Zeit mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA Bilder im ultravioletten Bereich aufnahmen", fügt Jonathan hinzu. "Bizarrerweise hatten die stärksten Lichter, die von Webb beobachtet wurden, kein echtes Gegenstück in den Hubble-Bildern. Das gab uns ein großes Rätsel auf. Um die Kombination von Lichtern zu erhalten, die Webb und Hubble entdeckt haben, braucht man eine Kombination von scheinbar unmöglich zu erhaltenden, sehr niederenergetischen Teilchen, die auf die Atmosphäre treffen - ähnlich wie Nieselregen. Wir verstehen immer noch nicht, wie das passieren kann."

Das Forschungsteam plant nun, diese Diskrepanz zwischen den Hubble- und den Webb-Daten genauer zu untersuchen und die weiteren Auswirkungen auf die Jupiteratmosphäre und die Weltraumumgebung zu erforschen. Die Forschungen werden auch mit weiteren Webb-Beobachtungen fortgesetzt, die mit Daten der NASA-Raumsonde Juno kombiniert werden können, um die Ursache der mysteriösen Lichtemission besser zu verstehen.

Diese Beobachtungen könnten auch dem Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) der Europäischen Weltraumorganisation helfen, der derzeit auf dem Weg zum Jupiter ist, um detaillierte Beobachtungen des riesigen Gasplaneten und seiner drei großen ozeanhaltigen Monde zu machen. Juice wird sieben einzigartige wissenschaftliche Instrumente, darunter zwei bildgebende Geräte, zur Beobachtung von Jupiters Polarlichtern einsetzen. Diese Beobachtungen aus nächster Nähe werden uns helfen zu verstehen, wie das Magnetfeld und die Atmosphäre des Planeten zusammenwirken und wie geladene Teilchen von Io und anderen Monden die Jupiteratmosphäre beeinflussen.