De verkenner van Jupiter ontdekt telkens nieuwe grillen van deze reusachtige oppergod

2 dagen geleden 5

De eerste ster die je vanavond denkt te zien, is eigenlijk een planeet: Jupiter is in deze wintermaanden het helderste licht aan de nachthemel. Zijn naam is goed gekozen: de Romeinse oppergod was dominant, grillig en alomtegenwoordig. Geen enkele planeet in het zonnestelsel is groter of zwaarder. Jupiter is de vijfde planeet vanaf de zon en draait op een afstand die varieert tussen ongeveer 600 en 900 miljoen kilometer van de aarde, afhankelijk van de stand in hun banen. Het is een gasreus: een planeet zonder vast oppervlak, opgebouwd uit dikke lagen gas die naar binnen toe steeds dichter en heter worden.

Bezien met een verrekijker of kleine telescoop wordt Jupiter meer dan een lichtpunt. Vier kleine stipjes schuiven nacht na nacht om hem heen. Het waren die manen – Io, Europa, Ganymedes en Callisto – die Galileo Galilei in 1610 deden inzien dat niet alles in het heelal om de aarde draait.

Sindsdien zijn we veel te weten gekomen over Jupiter. Hij bevat meer dan dubbel zoveel massa als alle andere planeten samen; hij vormt het zwaartepunt van een uitgestrekt stelsel van bijna honderd manen; zijn zwaartekracht bepaalde de ordening van het jonge zonnestelsel en beschermde de aarde vermoedelijk tegen een deel van het kosmische puin dat hier in die begintijd rondzwierf.

Lees ook

‘Over Galileo Galilei werd altijd veel geroddeld’

Dat Jupiter als kosmische ‘katvanger’ fungeert, werd spectaculair zichtbaar in 1994, toen de komeet Shoemaker-Levy 9 uiteenviel en met tientallen brokstukken insloeg op de planeet. De littekens waren wekenlang zichtbaar in zijn wolkendek – een smeulende demonstratie van zijn dominante zwaartekracht. We weten hoe zijn wolkenbanden razen, hoe zijn magnetisch veld alles overheerst en hoe extreem zijn poollicht is. En dan is er nog de Grote Rode Vlek, de iconische wervelstorm, groot genoeg om de aarde te verzwelgen, die al meer dan drie eeuwen over het zuidelijk halfrond raast.

Maar vrijwel al die kennis kwam van buitenaf: van telescopen, voorbijvliegende sondes en metingen aan zijn wolkentoppen. Slechts één keer – met de Galileo-sonde eind jaren negentig – werd Jupiters atmosfeer daadwerkelijk binnengedrongen. Het leverde een momentopname op één locatie op, geen doorlichting. Zo bleef één vraag al die tijd onbeantwoord: wat gebeurt er onder dat kolkende wolkendek?

Die vraag vormde de kern van de ruimtesonde Juno, toepasselijk vernoemd naar Jupiters echtgenote: de Romeinse godin die volgens de mythe als enige door de wolkensluier van haar overspelige man heen kon kijken. Juno werd in 2011 gelanceerd, bereikte vijf jaar later Jupiter en cirkelt sindsdien in een baan om de planeet. „Een van de hoofddoelen van Juno is om binnen in Jupiter te kijken, op elke denkbare manier”, zegt Scott Bolton, wetenschappelijk projectleider van de missie. „En ik heb nog nooit een ruimtemissie meegemaakt waarbij zóveel van onze aannames onjuist bleken.”

Bolton verwondert zich al decennialang over Jupiter. De planeet ontstond waarschijnlijk al vroeg, kort na de geboorte van de zon, en speelde daardoor een bepalende rol in de verdere evolutie van het planetenstelsel. Jupiter trok het grootste deel van het overgebleven materiaal naar zich toe: de restanten waaruit ook de andere planeten zijn ontstaan. „Als we willen begrijpen hoe planeten werden gevormd, waar het materiaal vandaan komt waaruit wij bestaan, dan moeten we meer te weten komen over Jupiter”, zegt hij.

De Grote Rode Vlek (rechtsboven) op Jupiter, in 2019 waargenomen door Juno.

Jupiter is niet zomaar een ‘hapje zon’. Hoewel hij grotendeels uit waterstof en helium bestaat, net als de zon, liet de Galileo-missie zien dat zijn atmosfeer verrijkt is met zwaardere elementen, een aanwijzing dat er meer speelt dan alleen oermateriaal. Die combinatie – vertrouwd en tegelijk ondoorgrondelijk – maakte Jupiter voor Bolton onweerstaanbaar. Al kort na zijn promotie, begin jaren negentig, begon hij te denken aan een missie die eindelijk het binnenste van deze planeet zou inspecteren.

Dat idee zou uiteindelijk uitmonden in Juno, een missie waarbij Bolton al vanaf het eerste uur betrokken is. De sonde beweegt in een extreme baan, loodrecht over Jupiters polen. Elke omloop duurt ruim vijftig dagen en voert Juno eerst ver van de planeet weg, om haar daarna in een scheervlucht tot enkele duizenden kilometers boven de wolkentoppen te brengen. Dat is gevaarlijk dichtbij: Jupiters stralingsgordels behoren tot de meest intense in het zonnestelsel. „Elke nieuwe omloop brengt ons in een gevaarlijker stralingsgebied”, zegt Bolton. De belangrijkste elektronica van Juno is daarom ondergebracht in een ‘stralingskluis’ van titanium, die de slijtage zoveel mogelijk vertraagt.

Maar zelfs dat is nog niet het grootste obstakel; Jupiter is een planeet waar je simpelweg niet in kúnt afdalen. De atmosfeer wordt razendsnel dichter en de druk loopt zo hoog op dat een sonde dieper naar beneden onvermijdelijk wordt verpletterd en opgeslokt. Wie het binnenste van Jupiter wil begrijpen, moet dus gepaste afstand houden. Er bleef maar één mogelijkheid over: de planeet doorlichten zonder hem ooit te betreden. „We moesten Juno op zoveel mogelijk manieren bij Jupiter naar binnen laten kijken”, zegt Bolton. Hij glimlacht. „Van buitenaf.”

Juno doorgrondt Jupiter via drie fundamentele eigenschappen: zijn zwaartekracht, zijn magnetisch veld en zijn radiostraling. Door nauwkeurig te meten hoe Juno’s baan steeds iets verschuift, reconstrueren onderzoekers het zwaartekrachtsveld – en daarmee de verdeling van massa diep onder de wolken. Magnetometers brengen het uitzonderlijk sterke en complexe magnetisch veld in kaart, dat zijn oorsprong heeft in lagen waar waterstof onder extreme druk een metaalachtige toestand aanneemt. En met een microgolf-radiometer ‘luistert’ Juno naar warmtestraling uit de atmosfeer, afkomstig van honderden kilometers onder de wolkentoppen (nog altijd slechts een paar procent van Jupiters totale omvang). „Deze drie metingen leveren geen foto van één laag op”, zegt Bolton, „maar een combinatie van signalen waaruit je kunt afleiden hoe Jupiter van binnen in elkaar zit.”

Een montage van tien beelden van de JunoCam laat zien hoe Jupiter schijnbaar groeit en krimpt naarmate de sonde dichterbij of verder weg staat.

Een van de eerste grote inzichten van Juno raakte aan een oud raadsel. Lange tijd gingen planeetwetenschappers ervan uit dat Jupiters diepe atmosfeer goed gemengd was: wat je op één plek meet, geldt overal. Toen de Galileo-sonde eind jaren negentig op haar enige meetlocatie opvallend weinig water aantrof, zou dat betekenen dat Jupiter overal waterarm was – in strijd met planeetmodellen. Juno liet zien dat die conclusie niet houdbaar is. De hoeveelheden ammoniak – en vermoedelijk ook water – blijken sterk te variëren. „Het bleek niet goed gemengd”, zegt Bolton. „Dat was een nederigmakende gewaarwording.” Het oude waterraadsel werd daarmee niet netjes opgelost, maar vervangen door een fundamentelere realiteit: Jupiter is, tot diep onder zijn wolken, geen homogene wereld.

Een andere, even grote verrassing kwam uit de zwaartekrachtmetingen van Juno zelf. Voorafgaand aan de missie ging men ervan uit dat Jupiter een compacte metalen kern had – een overblijfsel van het eerste ‘zaadje’ waar de planeet later omheen zou groeien. De Juno-metingen maakten duidelijk dat dat beeld te simpel was. „Als Jupiter al een kern heeft, dan is die veel minder massief dan we dachten”, zegt de Leidse sterrenkundige Yamila Miguel. „Een groot deel van de zware elementen blijkt niet opgesloten in het centrum, maar vermengd met de rest van de planeet.”

Dat beeld dwingt sterrenkundigen om hun ideeën over planeetvorming te herzien, ook voor exoplaneten (planeten rond andere sterren). Gasreuzen groeien schijnbaar niet als een perzik rond één compact beginpunt, maar ontstaan via complexere processen waarin materiaal wordt gemengd, herverdeeld en later deels weer uit elkaar getrokken. Opvallend is dat vergelijkbare aanwijzingen inmiddels ook bij Saturnus zijn gevonden, via een geheel andere methode: subtiele trillingen in de ringen van die planeet. „De enige twee gasreuzen die we van binnen kennen, blijken allebei een diffuse kern te hebben”, zegt Miguel. „Dan wordt het lastig om dit nog een uitzondering te noemen.”

Jupiter is een planeet ‘on steroids’. Alles is intenser – groter, zwaarder, gewelddadiger

Juno’s polaire baan leverde een onverwachte verrassing op. Met JunoCam – een ‘gewone’ optische camera die vooral voor publieksbetrokkenheid was bedoeld – werden boven beide polen enorme, stabiele cyclonen zichtbaar, gerangschikt in vaste patronen. Niemand had zulke structuren verwacht.

Ook het poollicht was verrassend indrukwekkend. In essentie werkt het net als op aarde: elektrisch geladen deeltjes uit het magnetische veld botsen op de atmosfeer en laten die oplichten. Maar op Jupiter gebeurt alles in het groot. „Het is zoals met alles op die planeet”, zegt Bolton. „Jupiter is een planeet on steroids. Alles is intenser – groter, zwaarder, gewelddadiger. Meer straling, en dus ook veel heftiger poollicht.” En die combinatie van herkenbaarheid en extremiteit maakt Jupiter volgens hem zo fascinerend. De onderliggende natuurkunde is vertrouwd, maar de schaal waarop die zich manifesteert is ongekend.

Voor Yamila Miguel is Juno geen sjabloon voor gasreuzen elders, maar een stresstest voor onze theorieën. „We hebben nu één reuzenplaneet waarvan we het binnenste veel beter kunnen afbakenen dan ooit tevoren”, zegt ze. Een diffuse kern en niet-gemengde atmosfeer waren nog geen vaste prik in exoplaneetmodellen. „Deze resultaten dwingen ons opnieuw na te denken over hoe grote planeten ontstaan.”

Volgens Miguel groeien exoplaneetonderzoek en zonnestelselwetenschap nu pas naar elkaar toe. „Er valt aan beide kanten enorm veel te winnen”, zegt ze. De Juno-data zijn daarbij essentieel: ze verankeren modellen die anders alleen op verre, indirecte waarnemingen rusten. Voor haar persoonlijk betekende Juno ook een koerswijziging. Oorspronkelijk werkte Miguel vooral aan planeetvorming enexoplaneten, ver buiten het zonnestelsel. Maar Jupiter bleek onmogelijk te negeren. De missie trok haar, zegt ze, een onderzoekswereld binnnen zo groot en rijk dat haar blik verschoof van verre planeten naar deze ene, nabije reus.

Een compilatie van Juno-beelden van het stormachtige noordelijk halfrond van Jupiter.

Hoewel Juno is gebouwd om Jupiter zelf te doorgronden, levert de missie inmiddels ook nieuwe inzichten in het manensysteem. Sinds vorig jaar kruist de sonde regelmatig de banen van Io, Europa en Ganymedes. Daarbij wordt zichtbaar hoe intens de wisselwerking is tussen planeet en manen: elektrisch geladen deeltjes volgen magnetische veldlijnen als onzichtbare koorden en laten ‘voetafdrukken’ achter in Jupiters poollicht.

Die bijvangst is meer dan decor. Recent onderzoek in Nature Astronomy laat zien dat Juno’s metingen helpen om de dikte van Europa’s ijskorst beter te begrenzen. Die blijkt complexer – en mogelijk dikker – dan gedacht, met directe gevolgen voor de vraag hoe toegankelijk en bewoonbaar de oceaan onder het ijs is. Zo groeit Juno uit tot voorverkenner van Juice en Europa Clipper, de respectievelijk Europese en Amerikaanse missies die begin jaren 30 het detailwerk zullen doen.

Juno leverde niet alleen data, maar ook iconische beelden. Jupiter verschijnt op de beelden van Junocam als een kolkend kunstwerk. Voor Bolton is die esthetiek geen toeval. „Ik doe veel met kunst en wetenschap”, zegt hij. „En Jupiter hielp mee – hij ziet eruit als een Van Gogh-schilderij.”

De beelden kregen een extra lading door ze te combineren met muziek, onder meer van de Griekse componist Vangelis, met wie Bolton al vóór Juno samenwerkte. Zo werd een wetenschappelijke missie ook een culturele: een manier om een onvoorstelbare planeet invoelbaar te maken.

Na bijna tien jaar is Juno nog steeds operationeel, al was de missie ontworpen voor veel minder omwentelingen. „We gaan nu onze tachtigste omloopbaan in”, zegt Bolton, „terwijl we oorspronkelijk uitgingen van 32.” Elke nieuwe omloop voert de sonde dieper een gevaarlijk stralingsgebied in. Toch blijft Juno functioneren. „We hebben zelfs geleerd hoe we schade deels kunnen herstellen, door onderdelen tijdelijk op te warmen”, zegt Bolton. „Het is een voortdurend gevecht, maar we krijgen het onder de knie.”

Hoe lang Juno nog doorgaat, hangt mede af van budgettaire besluiten. Maar de erfenis van haar ‘ontsluiering’ staat: Jupiter onttrekt zich steeds opnieuw aan simpele aannames en maakt zijn reputatie als grillige oppergod waar.