Раскрыта 40-летняя тайна источника рентгеновских вспышек Юпитера
Загадку 40-летней давности о происхождении необычных рентгеновских полярных сияний Юпитера разгадали планетарные астрономы. Ученые выяснили, что сияния вызываются колебаниями магнитного поля газового гиганта, 13 июля сообщила пресс-служба Лаборатории реактивного движения (JPL) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA).
В рамках исследования астрономы объединили измерения, проведенные космическим аппаратом NASA «Юнона», вращающимся вокруг Юпитера, с данными миссии Европейского космического агентства (ЕКА) XMM-Newton на околоземной орбите. Это позволило исследователям впервые увидеть весь механизм в действии и зафиксировать, как электрически заряженные атомы, или ионы, ответственные за рентгеновские лучи, «пропускают» электромагнитные волны магнитноuj полz Юпитера в атмосферу газового гиганта.
Полярные сияния были обнаружены на семи планетах нашей солнечной системы. Часть этих сияний доступны даже человеческому глазу; другие же генерируют длины волн света, которые мы можем увидеть только в специализированные телескопы. Для получения более коротких длин волн требуется больше энергии. Юпитер обладает самыми мощными полярными сияниями в Солнечной системе и является единственной из четырех планет-гигантов с полярным сиянием, которое, как выяснилось, излучает рентгеновские лучи.
Планетарные астрономы были зачарованы рентгеновским сиянием Юпитера с момента его открытия четыре десятилетия назад, потому что не сразу стало ясно, как генерируется энергия, необходимая для его производства. Ученые знали, что эти удивительные северные и южные огни Юпитера вызваны ионами, попадающими в атмосферу Юпитера, но до сих пор не имели представления, как именно ионы, ответственные за рентгеновское сияние, могут попасть в атмосферу.
На Земле полярные сияния обычно видны только в поясе, окружающем магнитные полюса, между 65 и 80 градусами широты. За пределами широты 80 градусов полярное сияние исчезает, потому что линии магнитного поля покидают Землю и соединяются с магнитным полем солнечного ветра, которое представляет собой постоянный поток электрически заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Они называются линиями открытого поля, и на традиционной картине полярные области высоких широт Юпитера и Сатурна, как ожидается, также не будут излучать значительные полярные сияния.
Однако у рентгеновских полярных сияний Юпитера есть отличие. Они направлены к полюсу главного полярного пояса и пульсируют, а те, что наблюдаются на северном полюсе гиганта, часто отличаются от тех, что на южном полюсе. Это типичные особенности замкнутого магнитного поля, когда линия магнитного поля выходит из планеты на одном полюсе и снова соединяется с планетой на другом. Все планеты с магнитными полями имеют как открытые, так и закрытые компоненты поля.
Ученые, изучающие эти явления, обратились к компьютерному моделированию и обнаружили, что пульсирующие рентгеновские полярные сияния могут быть связаны с замкнутыми магнитными полями, которые генерируются внутри Юпитера, а затем простираются на миллионы миль в космос, прежде чем повернуть назад.
Чтобы доказать свою модель, ученые обратились к данным, полученным как аппаратом «Юнона», так и XMM-Newton с 16 по 17 июля 2017 года. В течение двухдневного периода XMM-Newton непрерывно наблюдал за Юпитером в течение 26 часов и видел, как рентгеновское сияние пульсирует каждые 27 минут.
В это же время «Юнона» находилась между 62 и 68 радиусами Юпитера (примерно от 4,4 до 4,8 миллиона километров) над предрассветной областью планеты — именно в той области, откуда, как предполагали расчеты команды специалистов, начинались пульсации, поэтому они искали в данных аппарата любые магнитные процессы, происходившие с одинаковой скоростью.
Эксперты обнаружили, что колебания магнитного поля Юпитера вызывают пульсирующие рентгеновские полярные сияния. Внешняя граница магнитного поля поражается непосредственно частицами солнечного ветра и сжимается. Эти сжатия нагревают ионы, которые попадают в обширное магнитное поле Юпитера, находящееся в миллионах миль от атмосферы планеты, что и вызывает явление, называемое электромагнитными ионными циклотронными волнами (EMIC), в которых частицы направлены вдоль силовых линий. Управляемые полем, ионы «оседлывают» электромагнитную волну через миллионы километров пространства, в конечном итоге врезаясь в атмосферу планеты и вызывая рентгеновские полярные сияния.
«То, что мы видим в данных „Юноны“, — это удивительная цепочка событий. Мы видим, как происходит сжатие, мы видим запуск электромагнитной волны, мы видим ионы, а затем мы видим импульс ионов, движущихся вдоль линии поля. Затем, несколько минут спустя, XMM видит вспышку рентгеновских лучей», — сказал участник исследования Уильям Данн из Лаборатории космических наук Малларда.
По словам ученых, теперь, когда недостающая часть процесса была впервые выявлена, это открывает множество возможностей для того, где ее можно было бы изучить в следующий раз. Например, на Юпитере магнитное поле заполнено ионами серы и кислорода, испускаемыми вулканами на луне Ио. На Сатурне луна Энцелад выбрасывает воду в космос, заполняя магнитное поле Сатурна ионами группы воды.
