На Юпітері зафіксовано найбільш високоенергетичне світло з коли-небудь виявлених

Відомо, що аврори планети виробляють низькоенергетичне рентгенівське світло. Нове дослідження нарешті виявило більш високочастотні рентгенівські випромінювання та пояснює, чому вони уникли виявлення іншою місією 30 років тому.

Про це розповідають в NASA, передають OstanniPodii.com.

Вчені вивчають Юпітер зблизька з 1970-х років, але газовий гігант досі сповнений таємниць. Нові спостереження космічної обсерваторії NASA NuSTAR виявили світло найвищої енергії, коли-небудь виявленої від Юпітера. Світло у формі рентгенівського випромінювання, яке може реєструвати NuSTAR, також є найбільш високоенергетичним світлом серед коли-небудь виявлених на планетах Сонячної системи, крім Землі.

У статті в журналі Nature Astronomy повідомляється про це відкриття та про розгадку загадки тривалістю у кілька десятиліть: чому місія “Улісс” не побачила рентгенівських променів, коли пролетіла повз Юпітер у 1992 році.

Рентгенівське випромінювання — різновид світла, але з набагато вищою енергією та меншою довжиною хвилі, ніж видиме світло, яке може бачити людське око. Рентгенівська обсерваторія Чандра від НАСА та обсерваторія XMM-Ньютон Європейського космічного агентства вивчали низькоенергетичні рентгенівські промені від аврор Юпітера – світлових шоу поблизу північного та південного полюсів планети, які утворюються, коли вулкани на супутнику Юпітера Іо обсипають планету іонами (атоми позбавлені своїх електронів). Потужне магнітне поле Юпітера прискорює ці частинки та спрямовує їх до полюсів планети, де вони зіштовхуються з її атмосферою та вивільняють енергію у вигляді світла.

Електрони з Іо також прискорюються магнітним полем планети, згідно зі спостереженнями космічного апарата NASA Юнона, який прибув до Юпітера у 2016 році. Дослідники підозрювали, що ці частинки повинні створювати рентгенівські промені навіть більш високої енергії, ніж те, що спостерігали Чандра та XMM-Ньютон, і NuSTAR (скорочення від Масив ядерних спектроскопічних телескопів) — перша обсерваторія, яка підтвердила цю гіпотезу.

NuSTAR виявив високоенергетичне рентгенівське випромінювання від аврор поблизу північного та південного полюсів Юпітера. NuSTAR не може визначити місце розташування джерела світла з високою точністю, а може лише встановити, що світло йде звідкись з областей фіолетового кольору. Credits: NASA/JPL-Caltech

«Планетам досить складно генерувати рентгенівське випромінювання в діапазоні, який виявляє NuSTAR», — сказала Кая Морі, астрофізик з Колумбійського університету та провідна авторка нового дослідження. «Але Юпітер має величезне магнітне поле, і воно обертається дуже швидко. Ці дві характеристики означають, що магнітосфера планети діє як гігантський прискорювач частинок, і саме це робить можливими ці високоенергетичні викиди».

Дослідники зіткнулися з багатьма перешкодами, щоб зробити виявлення з NuSTAR: наприклад, високоенергетичні викиди значно слабші, ніж низькоенергетичні. Але жодна з проблем не могла пояснити невиявлення “Улісс”, спільної місії NASA та ЄКА, яка була здатна відчувати більш високоенергетичне рентгенівське випромінювання, ніж NuSTAR. Космічний апарат “Улісс” був запущений у 1990 році та, після кількох продовжень місії, допрацював до 2009 року.

Рішення цієї загадки, згідно з новим дослідженням, полягає в механізмі, який виробляє високоенергетичні рентгенівські промені. Світло походить від енергійних електронів, які Юнона може виявити за допомогою своїх приладів “Експеримент щодо поширення джовіанських аврор” (JADE) та “Детектор енергетичних частинок Юпітера” (JEDI), але існує багато механізмів, які можуть змусити частинки випромінювати світло. Без прямого спостереження за світлом, яке випромінюють частинки, майже неможливо дізнатися, який механізм за це відповідає.

У цьому випадку винуватцем є те, що називається гальмівною емісією. Коли швидко рухомі електрони зустрічаються із зарядженими атомами в атмосфері Юпітера, вони притягуються до них, як магніти. Це призводить до того, що електрони швидко сповільнюються та втрачають енергію у вигляді високоенергетичного рентгенівського випромінювання. Це схоже на те, як швидко рухомий автомобіль передає енергію своїй гальмівній системі для уповільнення. (Іони, які виробляють рентгенівські промені нижчих енергій, випускають світло за допомогою процесу, який називається емісією атомних ліній.)

Механізм кожної світлової емісії створює світловий профіль, що трохи відрізняється. Використовуючи відомі дослідження профілів гальмівного світла, дослідники показали, що рентгенівське випромінювання повинно бути значно слабшим при більш високих енергіях, в тому числі в діапазоні виявлення “Улісса”.

«Якби ви зробили просту екстраполяцію даних NuSTAR, це б показало, що Улісс мав би вміти виявляти рентгенівські промені на Юпітері», — сказала Шифра Мандел, аспірантка астрофізики Колумбійського університету та співавторка нового дослідження. «Але ми побудували модель, яка включає гальмівну емісію, і ця модель не тільки відповідає спостереженням NuSTAR, вона показує нам, що при ще більших енергіях рентгенівське випромінювання було б занадто слабким для виявлення Улісса».

Висновки роботи ґрунтувалися на одночасних спостереженнях Юпітера NuSTAR, Юноною та XMM-Ньютон.

Нові глави

На Землі вчені виявили рентгенівське випромінювання в полярних сяйвах Землі з навіть більшою енергією, ніж те, що NuSTAR побачив на Юпітері. Але ці викиди надзвичайно слабкі – набагато слабкіші, ніж у Юпітера – та їх можна помітити лише за допомогою маленьких супутників або висотних аеростатів, які наближаються дуже близько до місць в атмосфері, які генерують ці рентгенівські промені. Аналогічно, для спостереження за цими викидами в атмосфері Юпітера знадобиться рентгенівський прилад поблизу планети з більшою чутливістю, ніж ті, які ніс Улісс у 1990-х роках.

«Відкриття цих викидів не закриває справу; воно відкриває нову главу», — сказав Вільям Данн, дослідник Університетського коледжу Лондона та співавтор статті. «У нас досі багато запитань щодо цих викидів та їх джерел. Ми знаємо, що обертові магнітні поля можуть прискорювати частинки, але ми не повністю розуміємо, як вони досягають такої швидкості на Юпітері. Які фундаментальні процеси природним чином утворюють такі енергійні частинки?»

Вчені також сподіваються, що вивчення рентгенівського випромінювання Юпітера може допомогти їм зрозуміти ще більш екстремальні об’єкти в нашому Всесвіті. NuSTAR зазвичай вивчає об’єкти за межами нашої Сонячної системи, такі як зорі, що вибухають, і диски гарячого газу, прискорені гравітацією масивних чорних дір.

Нове дослідження є першим прикладом того, що вчені можуть порівняти спостереження NuSTAR з даними, отриманими від джерела рентгенівських променів (Юнона). Це дозволило дослідникам безпосередньо перевірити свої ідеї про те, що створює ці високоенергетичні рентгенівські промені. Юпітер також має певну фізичну схожість з іншими магнітними об’єктами у Всесвіті – магнетарами, нейтронними зірками та білими карликами, – але дослідники не повністю розуміють, як частинки прискорюються в магнітосферах цих об’єктів і випускають високоенергетичне випромінювання. Вивчаючи Юпітер, дослідники можуть розкрити деталі віддалених джерел, які ми поки не можемо відвідати.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.