Ученые раскрыли 40-летнюю тайну невероятно мощных рентгеновских лучей северного сияния Юпитера

Группа исследователей раскрыла давнюю загадку того, как Юпитер производит удивительную вспышку рентгеновских лучей каждые несколько минут.

Группа исследователей под руководством UCL (Университетский колледж Лондона) решила давнюю загадку о том, как Юпитер производит удивительную вспышку рентгеновских лучей каждые несколько минут.

Рентгеновские лучи являются частью полярного сияния Юпитера — вспышек видимого и невидимого света, возникающих при взаимодействии заряженных частиц с атмосферой планеты. Подобное явление происходит на Земле, где оно создает северное сияние, но Юпитер намного мощнее, выделяя сотни гигаватт энергии, достаточной для кратковременного питания человеческой цивилизации. *

В новом исследовании, опубликованном в научный прогрессИсследователи объединили наблюдения за окружающей средой Юпитера с близкого расстояния с помощью спутника НАСА Juno, который в настоящее время вращается вокруг планеты, с одновременными рентгеновскими измерениями, полученными с помощью обсерватории XMM-Newton (на околоземной орбите) Европейского космического агентства.

Исследовательская группа, возглавляемая UCL и Китайской академией наук, обнаружила, что рентгеновские вспышки были вызваны периодическими колебаниями силовых линий магнитного поля Юпитера. Эти колебания создают волны плазмы (ионизированного газа), которые отправляют частицы тяжелых ионов «серфинг» вдоль силовых линий магнитного поля, пока они не сталкиваются с атмосферой планеты, высвобождая энергию в виде рентгеновских лучей.

Наложенные изображения полюса Юпитера со спутника НАСА Juno и рентгеновского телескопа НАСА Chandra. Слева показана проекция северного сияния (пурпурного цвета) на рентгеновском снимке Юпитера на видимом снимке Северного полюса с помощью JunoCam. Справа показан южный аналог. Предоставлено: НАСА Чандра / Джуно Уолк / Данн.

Один из ведущих авторов доктор Уильям Данн (Лаборатория космических исследований Университета Лос-Анджелеса) сказал: «Мы видели, как Юпитер генерирует рентгеновские полярные сияния в течение четырех десятилетий, но мы не знали, как они происходили. Мы знали, что они возникают только тогда, когда ионы столкнулся с атмосферой планеты «.

«Теперь мы знаем, что эти ионы переносятся плазменными волнами — объяснение, которое не предлагалось ранее, хотя аналогичный процесс вызывает собственное полярное сияние Земли. Так что это могло быть глобальным явлением, присутствующим во многих различных средах в космосе».

Рентгеновские сияния происходят на северном и южном полюсах Юпитера, часто с обычным часовым механизмом — во время этого наблюдения Юпитер производил всплески рентгеновских лучей каждые 27 минут.

Частицы заряженных ионов, ударяющиеся в атмосферу, происходят из вулканического газа, истекающего в космос из гигантских вулканов на спутнике Юпитера Ио.

Этот газ ионизируется (его атомы лишены электронов) из-за столкновений в непосредственном окружении Юпитера, образуя бублик из плазмы, окружающий планету.

Впервые астрономы увидели, как сжимается магнитное поле Юпитера, которое нагревает частицы и направляет их вдоль силовых линий магнитного поля в атмосферу Юпитера, создавая рентгеновские сияния. Сообщение было сделано путем объединения данных на месте миссии НАСА Juno с рентгеновскими наблюдениями с помощью прибора XMM-Newton ЕКА. Предоставлено: ЕКА / НАСА / Яо / Данн.

Один из ведущих авторов д-р Чжунхуа Яо (Китайская академия наук, Пекин) сказал: «Теперь мы определили этот фундаментальный процесс, есть множество возможностей, где он может быть изучен в следующий раз. Подобные процессы, вероятно, будут происходить вокруг Сатурна, Урана, Нептун и, возможно, вокруг экзопланет, а также различные типы заряженных частиц, «бороздящих» волны.

Соавтор, профессор Грациэлла Брандо-Раймонт (Лаборатория космических исследований Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе), сказала: «Рентгеновские лучи обычно производятся чрезвычайно мощными и жестокими явлениями, такими как черные дыры и нейтронные звезды, поэтому кажется странным, что их также производят одни планеты.

«Мы никогда не сможем посетить черные дыры, потому что они выходят за рамки космических путешествий, но Юпитер уже совсем близко. Благодаря тому, что Юнона вращается вокруг Юпитера, у астрономов теперь есть фантастическая возможность изучить среду, которая производит рентгеновские лучи вблизи».

Для нового исследования исследователи проанализировали наблюдения Юпитера и окружающей его среды непрерывно в течение 26 часов со спутников Juno и XMM-Newton.

Они обнаружили четкую корреляцию между волнами в плазме, обнаруженными Juno, и авроральными рентгеновскими вспышками северного полюса Юпитера, зарегистрированными XMM-Newton. Затем они использовали компьютерное моделирование, чтобы подтвердить, что волны будут выталкивать тяжелые частицы в атмосферу Юпитера.

Почему силовые линии магнитного поля периодически колеблются, не ясно, но эта вибрация может быть результатом взаимодействия с солнечным ветром или высокоскоростных потоков плазмы в магнитосфере Юпитера.

Магнитное поле Юпитера чрезвычайно сильное — примерно в 20 000 раз сильнее, чем у Земли — и поэтому его магнитосфера, область, контролируемая этим магнитным полем, чрезвычайно велика. Если бы он был виден в ночном небе, он бы покрыл площадь, в несколько раз превышающую размер нашей Луны.

Работа была поддержана Китайской академией наук, Национальным фондом естественных наук Китая, Советом по науке и технологиям Великобритании (STFC), Королевским обществом, Советом по исследованиям окружающей среды, а также Европейским космическим агентством и НАСА.

* Одно только рентгеновское сияние Юпитера выделяет гигаватты, что эквивалентно тому, что одна электростанция могла бы производить в течение нескольких дней.

Справка: 9 июля 2021 г. научный прогресс.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0851