Телескоп Джеймс Уэбб раскрывает тайны полярного сияния Юпитера
Земляне привыкли считать северное сияние своим уникальным атмосферным сокровищем. Мы восхищаемся зелеными и фиолетовыми сполохами в небе, вызванными столкновениями частиц солнечного ветра с нашей атмосферой. Однако наша Солнечная система полна и других, куда более грандиозных световых представлений. Самое мощное и непрерывное полярное сияние бушует вовсе не на Земле, а на Юпитере, газовом гиганте, чья магнитосфера настолько огромна, что могла бы поглотить несколько таких планет, как наша. И, как выяснили ученые, главные «художники», рисующие светом на полотне юпитерианского неба, это не далекое Солнце, а его собственные соседи, вулканические луны.
Международная группа исследователей под руководством аспирантки Университета Нортумбрии Кэти Ноулз совершила прорыв в понимании этого космического явления. Используя непревзойденную чувствительность космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), ученые смогли впервые заглянуть в «инфракрасную душу» юпитерианского сияния и обнаружить там структуры, которые перевернули прежние представления о физике верхних слоев атмосферы планеты.
В центре внимания исследователей оказались так называемые «следы полярных сияний» спутников Ио и Европы. Эти яркие пятна возникают не случайно. Четыре крупнейших спутника Юпитера — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто обращаются вокруг планеты гораздо медленнее, чем вращается само небесное тело. Огромное магнитное поле Юпитера, вращающееся с ним как единое целое примерно за 10 часов, буквально «наматывает» на себя заряженные частицы, словно гигантский динамо-механизм.
Когда эти частицы, движимые электрическими токами, возникающими при взаимодействии спутников с плазмой, ударяются об атмосферу планеты, они оставляют на ней два симметричных следа, по одному в каждом полушарии.
Ранее эти излучения фиксировали лишь урывками, но Уэбб позволил провести первые спектральные измерения, раскрыв физические параметры процесса.
Результаты, опубликованные в журнале Geophysical Research Letters, превзошли все ожидания. Особенно удивил след, оставленный Ио, самым вулканически активным телом в Солнечной системе. Ежеминутно вулканы Ио выбрасывают в окружающее пространство около 600 килограммов сернистого вещества, которое ионизируется и формирует вокруг Юпитера гигантское плазменное кольцо, известное как тор Ио. Логично было предположить, что взаимодействие с этим мощнейшим источником материи создает однородное и яркое полярное сияние. Однако телескоп JWST зафиксировал настоящую аномалию: внутри следа Ио обнаружилось «холодное пятно», где температура оказалась значительно ниже, чем в окружающих областях основного сияния.
Разница была колоссальной. Если фоновая температура основного полярного сияния Юпитера составляла около 766 Кельвинов (493 градуса Цельсия), то в холодной точке следов Ио столбик термометра упал до 538 Кельвинов (265 градусов Цельсия). Но самое поразительное заключалось в плотности вещества. В этой же точке была зафиксирована рекордная концентрация ионов триводорода (H3+), ключевого маркера процессов в ионосфере планеты. Плотность здесь была в три раза выше, чем в основном сиянии, а в масштабах всей небольшой области следа этот показатель менялся в 45 раз.
По словам Кэти Ноулз, эти экстремальные колебания температуры и плотности, происходящие буквально за считанные минуты, свидетельствуют о невероятно быстрой изменчивости потоков высокоэнергетических электронов, бомбардирующих атмосферу Юпитера. Мы видим, как планета в реальном времени реагирует на своего беспокойного соседа, создавая условия, которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Значение этого открытия выходит далеко за пределы системы Юпитера. Оно дает ученым мощный инструмент для сравнительного анализа. Например, спутник Сатурна Энцелад, известный своими гейзерами, тоже оставляет подобный след на своей планете. Теперь астрофизики задаются вопросом: существуют ли там такие же «холодные» зоны с экстремальной плотностью? Наблюдение за этими процессами помогает понять фундаментальные законы взаимодействия планет и их спутников, а также проливает свет на природу магнитосферных процессов, которые могут происходить и у далеких экзопланет.