Characteristics of the Jupiter Io‐D Decametric Radio Source

Collaborators:M. Imai, Kyoto UniversityK. Imai, Kochi National                             

College of Technology, JapanJ. Thieman, U. Md‐BaltimoreR. Flagg, RF AssociatesW. Greenman, WG Consulting

MOP 2015  1

Long Wavelength Array (LWA1), Socorro, NM 

Chuck Higgins, Middle Tennessee State UniversityTracy Clarke, Naval Research LabFrancisco Reyes, U. of FloridaDave Typinski, AJ4CO Observatory

Acknowledgements:U. New MexicoTN Space Grant Consortium

The LWA1 Array

22

A collaboration of the following institutions: U. New Mexico, Virginia Tech, Los Alamos NL, JPL, the Naval Research Lab, Caltech, Harvard, NRAO, and the Air Force Research Lab

Imai et al., 2010

from Ellingson, IEEE, 2013Location Socorro, NM, near VLABandwidth  10‐88 MHzAntennas 256 crossed‐dipoles (sky 

noise dominated)Polarizations Dual linearBandwidth 16 MHz x 2 tunings X 4 

beamsBeams 4 independently‐steerable

2 tunings per beamBeam FWHM < 3.2 × [(74 MHz)/]Instrument  6 kJy at zenith System Equiv.

Sensitivity  Flux Density (SEFD) [1 Jy = 10‐26 W/m2/Hz]

Beam Sensitivity  ≈ 8 Jy (5σ) for 1 s, 16 MHz, Z = 0 (inferred from SEFD)

Array Geometry256 Antenna stands, 100 m x 110 m elliptical footprint + 2 outrigger antennas for calibrationPseudo‐random arrangement – to suppress aliasing

JupiterSpectra

01 Dec 2012

3

LWA1 Instrument•Excellent observing conditions•Fine Temporal & Spectral Resolution:  0.21 ms and 5 kHz•Data Volume: up to ~1 TB/hour

RHC Polarization

LHC Polarization

Stokes V

Upper TuningLower Tuning

Io‐A

Io‐C

For more informationPoster #8 T. Clarke: Probing Jovian DAM with the LWA1

Poster #9 M. Imai: Jupiter DAM common observations with LWA1, NDA, and URAN-2

Poster #41 K. Imai: Jupiter’s modulation lanes observed by LWA1

AJ4CO Observatory

4

• 8‐element TFD Array• Polarizations: dual circular• HPBW 24 MHz: 30 EW, 12 NS at zenith• Beam steering: max 45 from zenith• Dual polarization Spectrograph (DPS), 16‐32 MHz Tunable, 2 MHz IF bandwidth

Terminated Folded Dipoles (TFD)

5

Radio Sources

Background Color Map:  50 years of University of Florida Radio Observatory (UFRO) data

bKOM – broadband kilometric emission

HOM – hectometricemission

Non‐Io‐DAM –decametric (related to HOM)

Io‐DAM – decametric emission tied to Io flux tube and Io torus

Io‐D Studies

6

• Southern hemisphere source• f =  < 3 ‐ 24.5 MHz• X‐mode emission• Highly LH circularly polarized (0.85)• Isolated arc structures (vertex early)• Io‐C/Io‐D emission cone

• Envelope shape caused by source along southern Io‐flux tube (Io’s frame)

• Io‐D Beaming angle 80

Queinnec and Zarka, 1998

Io‐B

Io‐D

Io‐D

Io‐D Observations

7

• LH Circularly Polarized• Vertex Early arc structure

• Excellent correlation between AJ4CO (Florida) and LWA1 (New Mexico)

Stokes V

AJ4CO Observatory20 Jan 2015RCP

AJ4CO Observatory20 Jan 2015LCP

LWA1 Observatory20 Jan 2015

Freq

uency (M

Hz)

15         20

           25

Io‐B

Io‐D

Io‐B

Io‐D

Io‐D Observations

8

Stokes VLWA1 Observatory14 Nov 2013

Freq

uency (M

Hz)

12                               14                             

16

LWA110 Jan 2015

fmax = 26 MHz

Io‐DModulation LanesS‐bursts

S‐bursts

L‐bursts

Io‐D Observations

9

• CML and Io‐phase ranges need redefinition (f‐dependent)

• Peak frequency can tell us something about the emission cone

LWA Io‐D Observations * Peak frequency

Io‐DIo‐D

Io‐A Io‐C

Io‐B

non‐Io‐A

Io‐D S‐bursts

10

AJ4CO Observatory20 Jan 2015

Span:  210 ms, Bandwidth:  2 MHzResolution: 205 us, 4.88 kHzS‐burst drift rates:  – 10.5 MHz/s at 18 MHz

Span:  110 sRes.:  157 ms

53 kHz

RCP Io‐B S‐bursts

LCP Io‐D S bursts

LCP Io‐D narrow‐band S bursts

Io‐DS‐Bursts

Resolution: 0.25 ms and 10 kHzTimespan: 1.44 sS‐burst Drift Rates:  –12 MHz/s at 19 MHz

11

27 Dec 2012

From Clarke et al., 2014

Io‐D S‐burst Drift Rates

From Zarka et al., (1996)

• Io‐related emission• High‐Intensity millisecond bursts

• CMI emission:  5 keVelectrons accelerated from Io to Jupiter – Mirrored near Jupiter resulting in a loss cone of amplified X‐mode waves

• Adiabatic theory predicts the maximum drift rates (30 MHz/s)

S‐burst Drift Rate vs Frequency

How do the drift rates correlate with the sources?

12

XXX

LWA1 & AJ4CO Io‐D Observations

X

Summary•Io‐D emission is prevalent•Io‐D CML and Io‐phase ranges need redefinition (f‐dependent)•Io‐D peak frequency = 26 MHz   ‐‐‐>   the southern hemisphere emission cone structure

•Io‐D modulation lanes•S‐bursts in Io‐D source are common – useful for emission theories

•LWA1 is an excellent instrument for Jupiter decameter studies‐ Excellent spectral and temporal resolution‐ Shows fine structures and polarization (Modulation lanes, L‐ and S‐

bursts, narrow band (N) events and S‐burst/N‐event interactions)

•LH and RH emission can be used for Faraday rotation studies

13

Juno Mission – Ground‐based DAM Coordinated observations are being planned

13

Data Reduction and Analysis

North

East

X

Y

Basis change to r, l

Use Fourier transforms to convert to frequency spectra

Convert to Stokes  V V=R2‐L2

14Output 14