На Юпитере зафиксирован самый высокоэнергетический свет из когда-либо обнаруженных

Известно, что авроры планеты производят низкоэнергетический рентгеновский свет. Новое исследование наконец-то выявило более высокочастотные рентгеновские излучения и объясняет, почему они избежали обнаружения другой миссией 30 лет назад.

Об этом рассказывают в NASA, передают OstanniPodii.com.

Ученые изучают Юпитер вблизи с 1970-х годов, но газовый гигант до сих пор полон тайн. Новые наблюдения космической обсерватории NASA NuSTAR обнаружили свет самой высокой энергии, когда-либо обнаруженной от Юпитера. Свет в форме рентгеновского излучения, которое может регистрировать NuSTAR, также является наиболее высокоэнергетическим светом среди когда-либо обнаруженных на планетах Солнечной системы, кроме Земли.

В статье в журнале Nature Astronomy сообщается об этом открытии и о разгадке загадки продолжительностью в несколько десятилетий: почему миссия Улисс не увидела рентгеновских лучей, когда пролетела мимо Юпитера в 1992 году.

Рентгеновское излучение – разновидность света, но с гораздо более высокой энергией и меньшей длиной волны, чем видимый свет, который может видеть человеческий глаз. Рентгеновская обсерватория Чандра от НАСА и обсерватория XMM-Ньютон Европейского космического агентства изучали низкоэнергетические рентгеновские лучи от аврор Юпитера – световых шоу вблизи северного и южного полюсов планеты, которые образуются, когда вулканы на спутнике Юпитера Ио обсыпают планету ионами (атомы, лишенные своих электронов). Мощное магнитное поле Юпитера ускоряет эти частицы и направляет их на полюсы планеты, где они сталкиваются с ее атмосферой и высвобождают энергию в виде света.

Электроны из Ио также ускоряются магнитным полем планеты, согласно наблюдениям космического аппарата NASA Юнона, прибывшему к Юпитеру в 2016 году. Исследователи подозревали, что эти частицы должны создавать рентгеновские лучи даже более высокой энергии, чем то, что наблюдали Чандра и XMM-Ньютон, и NuSTAR (сокращение от Массив ядерных спектроскопических телескопов) — первая обсерватория, подтвердившая эту гипотезу.

NuSTAR обнаружил высокоэнергетическое рентгеновское излучение от аврор близ северного и южного полюсов Юпитера. NuSTAR не может определить местоположение источника света с высокой точностью, а может только установить, что свет идет откуда-то из областей фиолетового цвета. Credits: NASA/JPL-Caltech

«Планетам достаточно сложно генерировать рентгеновское излучение в диапазоне, который выявляет NuSTAR», — сказала Кая Мори, астрофизик из Колумбийского университета и ведущий автор нового исследования. «Но у Юпитера есть огромное магнитное поле, и оно вращается очень быстро. Эти две характеристики означают, что магнитосфера планеты действует как гигантский ускоритель частиц, и это делает возможными эти высокоэнергетические выбросы».

Исследователи столкнулись со многими препятствиями, чтобы сделать обнаружение с NuSTAR: например, высокоэнергетические выбросы значительно слабее низкоэнергетических. Но ни одна из проблем не могла объяснить необнаружение Улисс, совместной миссии NASA и ЕКА, которая была способна чувствовать более высокоэнергетическое рентгеновское излучение, чем NuSTAR. Космический аппарат Улисс был запущен в 1990 году и, после нескольких продолжений миссии, доработал до 2009 года.

Решение этой загадки, согласно новому исследованию, заключается в механизме, производящем высокоэнергетические рентгеновские лучи. Свет происходит от энергичных электронов, которые Юнона может обнаружить с помощью своих приборов "Эксперимент по распространению джовианских аврор" (JADE) и "Детектор энергетических частиц Юпитера" (JEDI), но существует много механизмов, которые могут заставить частицы излучать свет. Без прямого наблюдения за светом, излучаемым частицами, почти невозможно узнать, какой механизм за это отвечает.

В этом случае виновником является то, что называется тормозной эмиссией. Когда быстро движущиеся электроны встречаются с заряженными атомами в атмосфере Юпитера, они притягиваются к ним как магниты. Это приводит к тому, что электроны быстро замедляются и теряют энергию посредством высокоэнергетического рентгеновского излучения. Это похоже на то, как быстро движущийся автомобиль передает энергию своей тормозной системе для замедления. (Ионы, производящие рентгеновские лучи низших энергий, испускают свет с помощью процесса, который называется эмиссией атомных линий.)

Механизм каждой световой эмиссии создает немного отличающийся световой профиль. Используя известные исследования профилей тормозного света, исследователи показали, что рентгеновское излучение должно быть значительно слабее при более высоких энергиях, в том числе в диапазоне обнаружения Улисса.

«Если бы вы сделали простую экстраполяцию данных NuSTAR, это бы показало, что Улисс должен уметь обнаруживать рентгеновские лучи на Юпитере», — сказала Шифра Мандел, аспирант астрофизики Колумбийского университета и соавтор нового исследования. «Но мы построили модель, включающую тормозную эмиссию, и эта модель не только соответствует наблюдениям NuSTAR, она показывает нам, что при еще больших энергиях рентгеновское излучение было бы слишком слабым для обнаружения Улисса».

Выводы работы основывались на одновременных наблюдениях Юпитера NuSTAR, Юноны и XMM-Ньютон.

Новые главы

На Земле ученые обнаружили рентгеновское излучение в полярных сияниях Земли с даже большей энергией, чем то, что NuSTAR увидел на Юпитере. Но эти выбросы чрезвычайно слабы – гораздо слабее, чем у Юпитера – и их можно заметить только с помощью маленьких спутников или высотных аэростатов, приближающихся очень близко к местам в атмосфере, генерирующим эти рентгеновские лучи. Аналогично, для наблюдения за этими выбросами в атмосфере Юпитера понадобится рентгеновский прибор вблизи планеты с большей чувствительностью, чем те, которые нес Улисс в 1990-х годах.

«Открытие этих выбросов не закрывает дело; оно открывает новую главу», – сказал Уильям Данн, исследователь Университетского колледжа Лондона и соавтор статьи. «У нас до сих пор много вопросов по этим выбросам и их источникам. Мы знаем, что вращающиеся магнитные поля могут ускорять частицы, но мы не полностью понимаем, как они достигают такой скорости на Юпитере. Какие фундаментальные процессы естественным образом образуют такие энергичные частицы?»

Ученые также надеются, что изучение рентгеновского излучения Юпитера может помочь им понять еще более экстремальные объекты в нашей Вселенной. NuSTAR обычно изучает объекты за пределами нашей Солнечной системы, такие как взрывающиеся звезды и диски горячего газа, ускоренные гравитацией массивных черных дыр.

Новое исследование является первым примером того, что учёные могут сравнить наблюдения NuSTAR с данными, полученными от источника рентгеновских лучей (Юнона). Это позволило исследователям напрямую проверить свои идеи о том, что создает эти высокоэнергетические рентгеновские лучи. Юпитер также имеет определенное физическое сходство с другими магнитными объектами во Вселенной – магнетарами, нейтронными звездами и белыми карликами – но исследователи не полностью понимают, как частицы ускоряются в магнитосферах этих объектов и испускают высокоэнергетическое излучение. Изучая Юпитер, исследователи могут раскрыть детали удаленных источников, которые мы пока не можем посетить.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.