Телескоп JWST обнаружил несколько загадочных сюрпризов в полярном сиянии Юпитера

На Земле полярные сияния — это мимолетные явления. Они возникают, когда заряженные частицы от Солнца сталкиваются с магнитосферой Земли. Большая часть этих частиц отклоняется, но некоторые задерживаются и направляются к полюсам линиями магнитного поля. Они попадают в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с атомами и молекулами. Это создает мощное зрелище на небе, и чем сильнее поток заряженных частиц от Солнца, тем дальше распространяются полярные сияния в средние широты.

Но на огромном Юпитере полярные сияния устроены иначе. Этот газовый гигант обладает самым сильным магнитным полем среди всех планет. Если северное сияние на Земле — это капризное, танцующее явление, то юпитерианское больше похоже на постоянную и мощную электрическую бурю. Юпитерианские полярные сияния также отличаются от земных тем, что формируются в результате взаимодействия с его галилеевыми спутниками, что является критически важным отличием между ними.

Северное сияние Юпитера в значительной степени обусловлено не Солнцем, а его вулканическим спутником Ио. Кроме того, северное сияние Юпитера обладает особенностями, отсутствующими у Земли. Линии магнитного поля, соединяющие планету с её спутниками, создают яркие пятна на полярном сиянии в местах их соединения.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters, представлены первые спектральные измерения этих ярких инфракрасных пятен полярного сияния. Ведущим автором является Кэти Ноулз из Нортумбрийского университета в Великобритании.

Если вы хотите узнать больше о полярных сияниях в целом, имеет смысл наблюдать за Юпитером.

«Юпитерские полярные сияния — самые мощные и непрерывно наблюдаемые из всех полярных сияний в Солнечной системе, и они являются проявлением связи между атмосферой и окружающей космической средой», — пишут авторы. Мощное магнитное поле планеты, быстрое вращение и плотная плазменная среда делают её идеальным местом для лучшего понимания полярных сияний. Плотная плазменная среда в значительной степени обусловлена ​​выбросами из атмосферы вулканической Ио, которая образует постоянный тор из плазмы внутри магнитосферы Юпитера. Она выбрасывает в космос около 1000 кг каждую секунду, создавая кольцо вокруг Юпитера, известное как плазменный тор Ио.

«Одной из ярких особенностей полярных сияний Юпитера являются излучения, связанные с галилеевыми спутниками», — объясняют исследователи. И Юпитер, и его магнитное поле вращаются быстрее, чем галилеевые спутники. Это означает, что четыре спутника постоянно взаимодействуют с плазмой в магнитном поле. Именно это и порождает яркие пятна.

Яркие пятна на полярном сиянии Юпитера называются пятнами Альфвена (MAW). Они названы в честь шведского лауреата Нобелевской премии по физике Ханнеса Альфвена, который внес важный вклад в физику плазмы.

«Мы представляем основные пятна альвеновского крыла (MAW) Ио и Европы, наблюдаемые с помощью ближнеинфракрасного спектрографа на борту космического телескопа Джеймса Уэбба», — пишут авторы. «Эти особенности следов полярного сияния были измерены ранее, но только в эмиссионном диапазоне».

Наблюдения с помощью телескопа JWST выявили нечто удивительное. Аврора Юпитера полна горячей плазмы, но инфракрасные наблюдения JWST обнаружили холодное пятно в следе полярного сияния Ио. Температура оказалась намного ниже ожидаемой, а плотность — чрезвычайно высокой. Эта работа основана на пяти отдельных «снимках», полученных с помощью NIRSpec телескопа JWST, и холодное пятно и высокая плотность присутствовали только на одном из снимков.

«Мы обнаружили экстремальную изменчивость как температуры, так и плотности в пределах зоны полярного сияния Ио в масштабе минут», — говорит Ноулз. «Это говорит нам о том, что поток высокоэнергетических электронов, сталкивающихся с атмосферой Юпитера, меняется невероятно быстро».

«В холодной точке зафиксирована температура всего 538 Кельвинов, или 265°C, по сравнению с 766 Кельвинами, или 493°C, в остальной части полярного сияния Юпитера», — говорит Ноулз. «Кроме того, в холодной точке содержалось вещество в три раза плотнее, чем основное полярное сияние Юпитера, с самой высокой плотностью, которую мы когда-либо регистрировали».

Исследователи считают, что эти изменения, вероятно, вызваны потоком электронов — так называемым осаждением электронов — идущих с Ио и сталкивающихся с верхними слоями атмосферы Юпитера. Однако эти изменения должны быть экстремальными, и Ноулз и ее соавторы не уверены, что за этим стоит. В лучшем случае они могут объяснить это «временными вариациями в осаждении электронов, вызванными либо локальными изменениями в процессе ускорения, либо взаимодействием спутника с магнитосферой».

Были также изучены следы на Европе, и исследователи отметили в них схожие явления, но они не так уверены, что это часть того же самого явления. «Есть предположения о существовании аналогичной, менее экстремальной популяции, связанной со следами на Европе», — пишут исследователи.

Особенно ошеломляет изменчивость этих изменений. Нельзя ожидать, что что-то будет абсолютно статичным, но масштаб изменений поразителен. «Мы наблюдали это явление только в одном из пяти наших наблюдений, что вызывает у нас вопросы», — сказал Ноулз. «Как часто это происходит? Отражают ли наши текущие наблюдения «типичную» изменчивость? Как она меняется в пространстве, времени и при различных условиях?»

Только дальнейшие наблюдения могут привести к объяснению. Космические аппараты NASA Europa Clipper и ESA Juice направляются к Юпитеру. Их наблюдения помогут нам понять систему во всей её сложности. Но до достижения цели им ещё много лет.

К счастью, объяснение этой выраженной изменчивости, возможно, не придётся ждать так долго. Ноулз уже провел 32 часа дополнительных наблюдений полярных сияний Юпитера с помощью инфракрасного телескопа НАСА на Гавайях и всё ещё анализирует данные. Это должно показать, является ли экстремальная изменчивость, выявленная телескопом JWST, распространённым или редким явлением.

«Эта работа открывает совершенно новые возможности для изучения не только Юпитера и других его галилеевых спутников, но и, возможно, других гигантских планет и их лунных систем», — сказал Ноулз. «Мы наблюдаем, как Юпитер реагирует на своих спутников в режиме реального времени, что дает нам представление о процессах, происходящих во всей нашей Солнечной системе и, возможно, в более отдаленных уголках планеты».

Космический аппарат НАСА «Юнона» в настоящее время изучает Юпитер и его спутники, и эта работа может помочь нам понять результаты его наблюдений, а также будущие наблюдения аппаратов «Европа Клиппер» и «Юнона».

«Этот анализ, а также будущие исследования, могут обеспечить контекст для измерений, полученных аппаратом Juno во время его перемещения внутри орбит спутников в ходе основных и продолжительных миссий, а также для аппаратов Juice и Europa Clipper», — заключают исследователи.