Waarom Jupiter snel ronddraait, maar niet echt snel

Title: On the Terminal Rotation Rates of Giant Planets (pdf)
Auteur: Konstantin Batygin (die we afgelopen mei interviewden)
Instelling van de eerste auteur: California Institute of Technology
Status: Geaccepteerd in AJ

Goed geluk met slapen op Jupiter! Deze reusachtige gasreus draait sneller dan alle andere planeten in het zonnestelsel en maakt een dag in minder dan 10 uur! Als je van de aarde naar de grootste planeet in ons zonnestelsel zou emigreren en toch de voor volwassenen aanbevolen dagelijkse 8 uur slaap zou willen halen, dan zou je minder dan twee uur per dag overhouden om te eten, te sporten en astrofysica te bestuderen. Dat is lang niet genoeg tijd! Toekomstige bewoners van Jupiters wolkensteden mogen echter niet klagen.

Toen Jupiter werd gevormd, maakte hij zijn atmosfeer (meer dan 95% van de totale massa van de planeet!) van het waterstof- en heliumgas in de protoplanetaire schijf rond onze Zon. Toen Jupiter deze gasmassa opslokte, moet hij sneller zijn gaan draaien, omdat hij ook het impulsmoment van het gas opslokte. Uiteindelijk zou hij de opbraaksnelheid bereiken, die wordt gedefinieerd als het punt waarop de bovenste lagen van de atmosfeer net zo snel ronddraaien als een voorwerp zou doen als het dicht bij het oppervlak in een baan om de planeet zou worden gebracht. Bij deze snelheden kan Jupiter onmogelijk nog sneller draaien. Naïef gezien zouden we verwachten dat Jupiter nu nog steeds zo snel ronddraait. Maar als we de omwentelingsperiode van Jupiter berekenen op basis van de omwentelingssnelheid, dan blijkt dat een Joviaanse dag nog geen 3 uur duurt!

Eigenlijk zouden de bewoners van Jupiter dankbaar moeten zijn dat iets de omwenteling van de planeet voldoende heeft vertraagd, zodat ze de eerste vier Harry Potter-films op één dag konden bekijken in plaats van slechts één ervan. Maar wat?

We weten al lang dat Saturnus ook veel langzamer roteert dan de snelheid waarmee hij uiteenvalt (11 uur in vergelijking met 4 uur). En zoals Eckhart in zijn astrobiet van december samenvatte, weten we nu dat ook exoplaneten van gasreuzen langzamer roteren dan verwacht. In het artikel van vandaag probeert Konstantin Batygin dit wijdverbreide raadsel op te lossen met de oplossing die men het meest zou verwachten: Het magnetische veld van Jupiter.

Het antwoord kopiëren

Jupiter en Saturnus zijn niet de enige objecten in het zonnestelsel die met dit mysterie te maken hebben. Toen de zon werd gevormd, heeft ook zij waterstofgas uit de zonneschijf aan haar omgeving toegevoegd. Als gevolg daarvan zouden we natuurlijk verwachten dat de zon nog sneller draait dan Jupiter. Toch duurt een zonnedag bijna een maand, waardoor de zon op de een of andere manier slechts 1% van het impulsmoment van het zonnestelsel overhoudt – ook al heeft de zon meer dan 99% van de massa!

Een manier waarop de zon, of welk object dan ook, impulsmoment kan verliezen, is door wat materiaal naar buiten te gooien. De belangrijkste verklaring waarom sterren als de zon op deze manier ronddraaien, heet magnetisch remmen. In dit proces voert de zonnewind materiaal mee van het oppervlak, net zoals dat nu gebeurt. Een deel van dat materiaal raakt vervolgens verstrikt in de magnetische veldlijnen van de zon, die het nog verder uit de zon drijven – en een groot deel van het impulsmoment van de zon met zich meenemen. Om het impulsmoment te behouden zal de zon langzamer moeten gaan draaien. Kunnen gasreuzenplaneten dit ook doen?

Kopiëren werkt niet

Jupiter is niet helemaal hetzelfde als een ster. Hij heeft geen zonnewind, dus kan hij niet zomaar materiaal wegslingeren. Recent onderzoek naar de manier waarop gasreuzen hun atmosfeer opbouwen kan echter een alternatief idee opleveren.

Werd vroeger aangenomen dat Jupiter gas direct bij zijn evenaar opbouwde, moderne simulaties laten zien dat hij eigenlijk gas van boven zijn “noordpool” (en onder zijn “zuidpool”) moet hebben verzameld. Zoals figuur 1 laat zien, wordt niet al het materiaal door Jupiter opgegeten. Een deel ervan wordt naar buiten afgebogen in een schijf rond Jupiter – een circumplanetaire schijf genoemd. De schijf verspreidt dat materiaal vervolgens weer terug naar de grotere schijf rond de ster – de protoplanetaire schijf waar het vandaan kwam. Dit compenseert het feit dat Jupiter geen zonnewind heeft en geeft hem een manier om materiaal en impulsmoment uit te stoten.

Draait langzamer (door magnetische afremming), dan weer sneller (door zwaartekrachtscontractie)

Figuur 2 toont de ontwikkeling van Jupiters rotatieperiode (d.w.z. de lengte van zijn dag) nadat hij gevormd is, met en zonder magnetische afremming. In beide modellen neemt Batygin aan dat Jupiter begint met een tweemaal zo grote straal voordat de zwaartekracht hem in ongeveer 1 Myr doet krimpen tot zijn huidige grootte. Hij neemt ook aan dat de planeet begint te roteren met de ontsnappingssnelheid (ongeveer 8 uur).

Zonder enige vertraging versnelt Jupiter gewoon als de planeet samentrekt, om het impulsmoment te behouden. Maar met magnetische afremming draait Jupiter eerst in ongeveer 25.000 jaar terug naar een rotatieperiode van 36 uur. Dan draait hij door de zwaartekrachtscontractie weer terug naar een rotatieperiode van 9 uur tegen de tijd dat hij zijn huidige radius bereikt – vrij dicht bij zijn huidige rotatieperiode van 9 uur en 56 minuten!

Nu het model in dit artikel heeft aangetoond dat magnetisch remmen kan leiden tot ongeveer de juiste rotatiesnelheid voor Jupiter (en ook Saturnus), hoopt Batygin dat toekomstig werk meer nauwgezette aspecten van het probleem zal onderzoeken die verband houden met magnetohydrodynamica (MHD), zowel met een analytische benadering (zoals met de vergelijkingen in dit artikel) als ook met simulaties (die niet direct in dit model zijn gebruikt).

De astrofysici die op Jupiter of gasreuzen exoplaneten in andere stersystemen wonen, zullen meer dan genoeg tijd per dag hebben om dit probleem te onderzoeken. En wellicht hebben zij zowel de magnetische velden als de manier waarop deze planeten hun atmosfeer hebben opgebouwd aan hen te danken.