Астрономы объяснили природу рентгеновских вспышек на Юпитере

Астрономы решили давнюю загадку того, как Юпитер производит впечатляющую 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 и на Земле, создавая северное сияние, но Юпитер намного мощнее, выделяя сотни гигаватт энергии.

В новом исследовании ученые объединили подробные наблюдения за окружающей средой Юпитера с помощью спутника НАСА Juno, который в настоящее время вращается вокруг планеты, с одновременными рентгеновскими измерениями, полученными обсерваторией XMM-Newton 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 вдоль силовых линий магнитного поля, пока они не врежутся в атмосферу планеты, высвобождая энергию в виде рентгеновских лучей.

«Мы видели, как Юпитер генерирует рентгеновское сияние в течение четырех десятилетий, но мы не знали, как это происходило. Мы знали только, что они образовались, когда ионы разбивались в атмосферу планеты», — говорят астрономы.

«Теперь мы знаем, что эти ионы переносятся плазменными волнами — объяснение, которое не было предложено ранее, даже несмотря на то, что аналогичный процесс вызывает собственное полярное сияние Земли. Следовательно, это может быть универсальным явлением, присутствующим во многих различных средах в космосе».

Рентгеновские сияния происходят на северном и южном полюсах Юпитера — во время последнего наблюдения Юпитер производил всплески рентгеновских лучей каждые 27 минут.

Заряженные ионные частицы, попадающие в атмосферу, происходят из вулканического газа, извергающегося в космос из гигантских вулканов на спутнике Юпитера Ио.

Этот газ становится ионизированным (его атомы лишаются электронов) из-за столкновений в непосредственном окружении Юпитера, образуя облако плазмы в виде бублика, который окружает планету.

Один из ведущих авторов работы  Чжунхуа Яо (Китайская академия наук) сказал: «Теперь мы определили этот фундаментальный процесс, и есть множество возможностей для его дальнейшего изучения. Подобные процессы, вероятно, происходят вокруг Сатурна, Урана, Нептуна и, вероятно, у экзопланет, с различными типами заряженных частиц».

«Рентгеновские лучи обычно производятся чрезвычайно мощными и жесткими явлениями, такими как черные дыры и нейтронные звезды, поэтому кажется странным, что их тоже производят простые планеты.

— Мы никогда не сможем посетить черные дыры, поскольку они находятся за пределами космических путешествий, но Юпитер уже на пороге. С прибытием спутника Юнона на орбиту Юпитера у астрономов появилась фантастическая возможность близко изучить окружающую среду, излучающую рентгеновские лучи» — говорят астрономы.

Они проанализировали наблюдения Юпитера и окружающей его среды, которые непрерывно проводились в течение 26 часов с помощью спутников Juno и XMM-Newton.

Астрономы обнаружили четкую корреляцию между волнами в плазме, обнаруженными Juno, и рентгеновскими полярными вспышками на северном полюсе Юпитера, зарегистрированными X-MM Newton. Затем они использовали компьютерное моделирование, чтобы подтвердить, что волны будут направлять тяжелые частицы к атмосфере Юпитера.

Почему силовые линии магнитного поля периодически колеблются, неясно, но эта вибрация может быть результатом взаимодействия с солнечным ветром или высокоскоростных плазменных потоков 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 она была видна в ночном небе, она бы покрывала область, в несколько раз превышающую размер Луны.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.