5880
Юпітер має найпотужніше і найстабільніше полярне сяйво в усій Сонячній системі — і його формують не лише заряджені частинки від Сонця, а й власні супутники планети. Тепер, як повідомляється у журналі Geophysical Research Letters, телескоп Джеймса Вебба вперше в ближньому інфрачервоному діапазоні виміряв фізичні характеристики “авроральних слідів” двох галілеєвих супутників — Іо та Європи. Відкриття виявило несподівану холодну структуру з екстремально високою щільністю плазми, яка змінюється за лічені хвилини і кидає виклик усім попереднім моделям.
Що відомо коротко
- Дослідження провела аспірантка Кеті Ноулз з Університету Нортумбрія (Велика Британія) у рамках 22-годинного вікна спостережень телескопа Вебба у вересні 2023 року.
- Спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону NIRSpec зафіксував авроральні сліди Іо та Европи — яскраві емісійні плями в атмосфері Юпітера, пов’язані з рухом супутників.
- Вперше виміряно температуру верхньої атмосфери та щільність іонів безпосередньо у слідах — раніше вимірювалась лише яскравість.
- У сліді Іо виявлено холодну зону з температурою лише 538 К (265°C), тоді як решта аврори Юпітера має температуру близько 766 К (493°C).
- Щільність трьохатомного катіона водню (H??) у слідах Іо виявилась у три рази вищою, ніж у головній авроральній зоні Юпітера, з варіаціями до 45 разів у межах тієї самої малої ділянки.
Що це за явище
Полярне сяйво Юпітера — це нічне сяйво на полюсах планети, що виникає, коли заряджені частинки летять магнітними силовими лініями і врізаються в іоносферу. Аврора Юпітера в тисячі разів потужніша від земного полярного сяйва, і, на відміну від земного, вона майже постійна — не залежить від активності Сонця.
Особливістю Юпітера є те, що його сяйво формують також чотири великих галілеєвих супутники — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто. Кожен з них рухається крізь потужне магнітне поле Юпітера і генерує електричні струми, що “стікають” вздовж силових ліній і спричиняють яскраві спалахи в атмосфері планети. Ці спалахи — “авроральні сліди” — картографують орбіти супутників безпосередньо на поверхні полярного сяйва Юпітера.
Деталі відкриття
У вересні 2023 року телескоп Вебба провів 22-годинне сканування лімба Юпітера, “переслідуючи” аврору в міру обертання планети. Під час цього спостереження спектрограф NIRSpec несподівано зафіксував авроральні сліди Іо та Європи у п’яти знімках.
Це вперше, коли вченим вдалося отримати спектральні вимірювання слідів — тобто не просто побачити їх яскравість, а й виміряти температуру та щільність іонів. Попередні спостереження ультрафіолетовими та інфрачервоними телескопами могли лише зафіксувати, як яскраво вони світяться.
«Ці емісії вимірювали раніше в ультрафіолетовому та інфрачервоному діапазонах, але лише за яскравістю», — пояснює Ноулз. — «Вперше нам вдалося описати фізичні властивості авроральних слідів — температуру верхньої атмосфери та щільність іонів, про що раніше не повідомлялось».
Що показали нові спостереження
Результати виявились разючими. Сліди Іо та Европи не відповідали очікуванням: вони були холоднішими і значно щільнішими, ніж головна аврора Юпітера. Особливо вразив один знімок зі слідом Іо: в ньому виявилась холодна зона з температурою 538 К — майже на 230 градусів нижчою, ніж у решті аврори, і з надзвичайно високою щільністю плазми.
Ще більш дивовижним виявилось те, що ці екстремальні зміни відбуваються за лічені хвилини. Щільність і температура варіювались в межах того самого невеликого сліду у відношенні аж до 45:1.
Причиною, на думку вчених, є сам Іо — найвулканічніше тіло Сонячної системи. Його вулкани викидають у простір приблизно 1000 кілограмів матерії щосекунди, формуючи навколо Юпітера густий бублик іонізованої плазми, відомий як плазмовий тор Іо. Коли Іо рухається крізь цей тор, він генерує потужні електричні струми і посилає в атмосферу Юпітера шквал електронів — інтенсивний, мінливий і, як виявилось, здатний породжувати несподівані холодні структури.
Чому це важливо для науки
Відкриття відкриває нові можливості для розуміння того, як супутники взаємодіють із магнітосферою планети. «Ми бачимо, як атмосфера Юпітера реагує на своїх супутників у режимі реального часу», — каже Ноулз. — «Це дає нам уявлення про процеси, що відбуваються у всій Сонячній системі, і, можливо, далеко за її межами».
Зокрема, дослідники вже замислились над супутником Сатурна Енцеладом, що також генерує авроральний слід на Сатурні. Схожі явища можуть відбуватися в системах екзопланет, де ми поки не маємо прямих спостережень. Методика Вебба дозволяє тепер ставити такі питання конкретно: як часто виникає холодна структура? Чи пов’язана вона з конкретними вулканічними виверженнями на Іо? Як змінюється слід залежно від умов у плазмовому торі?
Важливо і те, що Вебб набуває нових ролей у дослідженні Сонячної системи. Він задумувався насамперед для спостережень за далекими галактиками та екзопланетами, але дедалі більше привертає увагу планетологів, які отримують від нього безпрецедентні деталі у власному “дворі”.
Цікаві факти
- Аврора Юпітера є найпотужнішою у Сонячній системі і у тисячі разів перевищує земну за енергетикою, випромінюючи рентгенівські промені, ультрафіолет та інфрачервоне світло.
- Іо викидає 1000 кілограмів матерії щосекунди — це еквівалентно приблизно трьом вантажним автомобілям, які щомиті злітають у космос завдяки сотням активних вулканів.
- Супутник Юпітера Європа може приховувати під крижаною корою рідкий океан, в якому теоретично здатне існувати життя — і нові дані Вебба з її слідом у авроральній зоні можуть допомогти краще вивчити взаємодію Європи з середовищем Юпітера.
- Авроральний слід Іо містить трьохатомний катіон водню H?? — молекулу з трьох атомів водню та одним позитивним зарядом, яка є надзвичайно рідкісною на Землі, але поширеною в атмосферах газових гігантів; цікаві факти про Юпітер — магнітне поле якого є найпотужнішим серед усіх планет — пояснюють, чому саме тут ця молекула зустрічається в таких кількостях.
FAQ
Чому аврора Юпітера відрізняється від земного полярного сяйва? Земне полярне сяйво майже повністю залежить від потоків заряджених частинок сонячного вітру. Аврора Юпітера, навпаки, переважно підживлюється власними супутниками — особливо Іо, яке безперервно “заправляє” магнітосферу планети свіжою плазмою з вулканів. Тому вона постійна й набагато потужніша.
Що таке “авроральний слід” супутника? Це яскрава пляма чи лінія у полярному сяйві планети, що позначає місце, де силові лінії магнітного поля з’єднують орбіту супутника з атмосферою планети. Кожен галілеєвий супутник Юпітера має власний слід, і їхні форми та положення картографують рух супутників.
Чому холодна зона у сліді Іо така загадкова? Зазвичай аврора нагрівається при контакті з потоком електронів. Знайти зону, холоднішу за оточення, та ще й з вищою щільністю — це нестандартно. Ймовірно, це пов’язано з різкими змінами у потоці електронів від плазмового тора Іо, проте точний механізм ще не встановлено.
Телескоп Вебба зняв сяйво супутників Юпітера в його атмосфері з’явилася спочатку на Цікавості.
