Защита Юпитера от Солнца оказалась более странной, чем ожидали ученые

Фото из открытых источников

Космический аппарат Juno выявил неожиданно сложную систему плазменных волн и ударных структур, которая помогает Юпитеру замедлять солнечный ветер. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Каждая намагниченная планета, включая Юпитер, оказывает примерно одинаковое противодействие солнечному ветру. Поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром, врезается в этот магнитный пузырь со скоростью, превышающей скорость распространения возмущения в окружающем газе.

Прежде чем ветер достигнет планеты, что-то должно его замедлить. Этот барьер называется ударной волной. На Земле она выполняет свою работу довольно простым способом. Новые данные с Юпитера показывают, что его собственная ударная волна использует сразу несколько перекрывающихся механизмов, которые земной версии никогда не требовались.

Юпитер вращается вокруг Солнца примерно в пять раз дальше, чем Земля, поэтому к тому моменту, когда солнечный ветер достигает его, магнитное поле солнечного ветра ослабевает до доли своей силы вблизи Земли. Это должно было облегчить задачу Юпитеру. Вместо этого его ударная волна оказалась более активной и странной, чем та, что охраняет Землю.

Джаяшри Джозеф, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Университета Айовы, возглавила группу, разработавшую новые данные, полученные на основе информации, собранной космическим аппаратом НАСА Juno в 2024 году.

Космический аппарат Juno вращается вокруг Юпитера с 2016 года, но до конца 2024 года планировщики миссии не направляли его прибор для регистрации волн непосредственно на ударную волну. Задержка помогла сохранить объем данных, необходимых космическому аппарату для отправки на Землю.

10 и 11 декабря 2024 года «Юнона» дважды пересекла границу раздела магнитных полей Юпитера с интервалом чуть более девяти часов: один раз направившись в сторону солнечного ветра, а второй раз — обратно в магнитную оболочку Юпитера.

Два пересечения практически не были похожи: первое ударилось о демпфирующий слой под небольшим, почти параллельным углом, а второе — более точно.

В обоих случаях солнечный ветер двигался примерно в девять раз быстрее, чем возмущение могло распространяться через окружающую плазму, что, собственно, и делает необходимым образование ударной волны.

Восемь более ранних космических аппаратов, включая зонды «Вояджер» 1970-х годов, пересекали эту же границу, но ни один из них не имел приборов, способных с сопоставимой детализацией различать ее мелкомасштабные характеристики плазменных волн.

Билл Курц, научный сотрудник, работающий над миссией Juno с момента ее запуска в 2011 году, сказал, что причина, по которой Юпитеру требуется так много оборудования, заключается в масштабе выполняемой задачи.

«Земле не нужно предпринимать эти дополнительные шаги для борьбы с солнечным ветром, потому что его воздействие не столь сильное», — сказал Курт.

Во время второго пересечения прибор «Юноны» зафиксировал то, что ни один космический аппарат ранее не регистрировал на ударной волне какой-либо планеты. Волна электрического поля, повторяющаяся одновременно на нескольких частотах, подобно обертонам, наложенным на одну ноту: основная частота составляет около 5600 герц, а поверх неё накладываются ещё две волны, примерно вдвое и втрое превышающие эту частоту.

Физики уже наблюдали подобную слоистую структуру раньше, но только вблизи магнитных полюсов Земли и в самом солнечном ветре, гораздо ближе к Солнцу, никогда на ударном фронте планеты.

Образование слоев происходит, когда электрическое поле волны становится достаточно сильным, чтобы многократно захватывать и высвобождать электроны. Это сглаживает пики волны и создает дополнительные частоты наряду с исходной.

«Юпитер нашел свой собственный способ противостоять солнечному ветру, используя плазменные волны, которые сильнее и обладают более богатой гармонической структурой», — сказал Джозеф. «Это важно, потому что при наличии нескольких частот можно нагреть больше частиц в солнечном ветре и замедлить их».

Вблизи этого же перекрестка фоновое магнитное поле резко возросло в серии равномерно распределенных импульсов с интервалом примерно в 8,3 секунды. Такое расстояние составляет примерно четверть времени, необходимого протону для совершения одного оборота вокруг локального магнитного поля, и обычное воздействие солнечного ветра не приводит к столь регулярному ритму.

Вместо этого, наблюдаемая картина указывает на образование ряда меньших областей перед основным ударным фронтом, каждая из которых вносит свой небольшой вклад в процесс до того, как солнечный ветер достигнет реального барьера.

Команда называет эти области «шоклетами», а физики знают лежащее в их основе поведение как самовосстановление ударной волны, при котором фронт ударной волны снова и снова разрушается и восстанавливается.

Самый мощный из импульсов достиг примерно 10,5 нанотесла, что более чем в пять раз превышает окружающее поле дальше по потоку. На Земле подобные повторяющиеся структуры появляются лишь изредка, и когда это происходит, они, как правило, исчезают менее чем за пару секунд.

Команда исследователей ожидает, что обратная закономерность сохранится во внешней части Солнечной системы, где более быстрый и неравномерный солнечный ветер должен сделать самовосстановление более сильным и распространенным, чем вблизи нашей планеты.

Аналогичный тип волн возникал под воздействием электронов, пролетающих мимо отраженных ионов вблизи ударной волны. Было получено около 18 равномерно расположенных пиков с интервалом примерно в 300 герц, которые можно было обнаружить до тех пор, пока они не слились с фоновым шумом.

В точке ударной волны Земли подобные измерения обычно выявляют лишь небольшую часть теоретически возможных пиков.

Более слабое межпланетное магнитное поле Юпитера, побочный эффект его нахождения на значительно большем расстоянии от Солнца, позволяет наблюдать почти всю его совокупность. Более широкий диапазон частот означает, что захватывается и нагревается более широкий спектр электронов, а не только те, которые движутся с определенной скоростью.

Слоистые волны, самовосстанавливающаяся ударная волна и более полный набор электронных частот — это не три отдельных явления. Вместе они помогают преобразовывать скорость солнечного ветра в тепло более эффективно на Юпитере, чем на Земле.

Приборы Juno не были предназначены для измерения фактического количества тепла, выделяемого всей этой волновой активностью, поэтому оценки команды относительно общей мощности ударной волны носят скорее качественный, чем точный характер.

И вся картина основана всего на двух переправах, зафиксированных с интервалом в девять часов в два декабрьских дня.

Пока никто не может сказать, ведет ли себя шоковая волна Юпитера таким образом большую часть времени, или же команде просто удалось запечатлеть два необычных момента.

«Поскольку еще более мощные ударные волны возникают вокруг астрофизических объектов, таких как остатки сверхновых, ударная волна Юпитера представляет собой расположенную неподалеку природную лабораторию для изучения и понимания того, как природа преобразует огромное количество энергии потока в тепло и энергетические частицы», — объясняет Джозеф.

Те же физические процессы, которые замедляют солнечный ветер у Юпитера, могут помочь ученым понять гораздо более мощные ударные волны, возникающие при гибели звезд.