Помічені на Юпітері ще 40 років тому потужні спалахи у рентгенівському діапазоні є результатом стискання магнітного поля планети. Такого висновку астрономи дійшли, одночасно спостерігаючи за сяйвами за допомогою рентгенівського телескопа XMM-Newton та станції «Юнона». Причому процеси, що викликають спалахи виявилися подібними до механізму виникнення протонних полярних сяйв на Землі. Те саме має відбуватися і на Сатурні, Урані чи Нептуні, зазначають вчені у Science Advances.
European Space Agency, ESA / YouTube
Як сяють полюси Юпітера?
За яскраві сяйва в атмосфері відповідає магнітосфера планети. Так якщо у планети є магнітне поле, то воно ловить заряджені частинки сонячного вітру і змушує їх рухатися уздовж силових ліній, де в атмосфері вони взаємодіють із молекулами газів. Ця взаємодія збуджує частинки і тому вони починають випромінювати енергію вже як кванти світла, утворюючи полярні сяйва. Подібні явища можна побачити не лише на Землі, а і на Марсі та полярних регіонах газових гігантів Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна.
Втім, рентгенівські сяйва Юпітера несумісні з таким механізмом. Вони регулярно пульсують кожні кілька десятків хвилин у рентгенівському діапазоні, але й через 40 років після їхнього відкриття, механізми, що викликають ці рентгенівські сяйва, залишаються невідомими. Північне рентгенівське сяйво Юпітера сконцентроване на полюсах планети. Причому воно поводиться по-різному на північному і південному - за 20 днів спостережень, яскравість на південному полюсі зросла на 40 відсотків та зменшилась на таке ж значення на північному.
Чому планета спалахує у рентгенівському діапазоні?
Лінійні спектри рентгенівського випромінювання демонструють, що рентгенівські спалахи Юпітера утворюються важкими іонами кисню, сірки або вуглецю з енергією в десятки мегаелектронвольт. У межах нашої сонячної системи Юпітер є єдиним прикладом такої великомасштабної передачі енергії. Джерелом іонів служить і його супутник Іо завдяки своїй вулканічної активності, але досі було невідомо, як ці іони взагалі змогли потрапити в атмосферу.
Одним із варіантів було явище магнітного перез'єднання, коли протилежно напрямлені лінії поля роз’єднуються і знову замикаються через шар електричного струму, що виник між ними. Так імпульси від перез'єднання створюють яскраві «плями» або «дуги» випромінювання протяжністю до декількох тисяч кілометрів уздовж межі розімкнутої-замкненої силової лінії. Однак, спостереження показують, що пульсації рентгенівського випромінювання тривають по кілька юпітеріанських днів Юпітера, що не можна пояснити перехідним явищем на кшталт перез'єднання. Тим паче, що воно все одно не може пояснити таких високих енергій. Тому вчені запропонували новий сценарій - пульсуючі рентгенівські спалахи можуть бути викликані коливаннями магнітного поля Юпітера.
Як за це відповідає магнітне поле?
У липні 2017 року телескоп XMM-Newton спостерігав за Юпітером та його сяйвами протягом 26 годин - вони спалахували кожні 27 хвилин. Одночасно з ним над досвітніми областями планети подорожувала станція «Юнона» та передавала дані про стан магнітного поля Юпітера. Ці дані вчені поєднали зі своїм попереднім дослідженням магнітного поля планети. Тоді вони дійшли висновку, що пульсуючі рентгенівські сяйва можуть бути пов'язані з замкнутими магнітними полями, які генеруються всередині Юпітера і потім простягаються на мільйони кілометрів в космос, перш ніж повернути назад.
Так замкнене і спіралеподібне приполюсне магнітне поле безпосередньо уражається частинками сонячного вітру і стискається. Це стискання нагріває захоплені частинки та утворює так звані електромагнітні іонно-циклотронні хвилі (electromagnetic ion cyclotron waves, EMIC), що направляють частинки уздовж силових ліній. Такі поздовжні коливання іонів в замагніченій плазмі поширюються майже перпендикулярно магнітному полю, а тому у підсумку іони врізаються в атмосферу планети і утворюють рентгенівське сяйво. Його через кілька хвилин і побачить XMM-Newton.
Схема, що ілюструє взаємодію хвиль з частинками, яка веде до появи спалахів рентгенівського випромінювання. Zhonghua Yao et al. / Science Advances, 2021
До чого тут Земля?
Цей процес захоплення Юпітером високоенергетичних частинок дуже подібний до протонних полярних сяйв на Землі. Відбувається той самий процес, що і за звичайних полярних сяйв, тільки з атмосферними молекулами і атомами стикаються високоенергетичні (до 100 кілоелектронвольтів) протони. А рентгенівське сяйво Юпітера використовує іони, набуваючи значно більшої енергії.
Фундаментальні процеси взаємодії між електромагнітними хвилями та іонами залишаються схожими на різних планетах незалежно від намагніченого ними середовища. Тому результати цієї роботи можна застосувати і для вивчення зв'язку між планетарними магнітосферними процесами і рентгенівським випромінюванням на Сатурні, Урані, Нептуні і навіть екзопланетах. Це дослідження доводить, що полярні сяйва мають загальні механізми в планетних системах, незважаючи на те, що часові, просторові та енергетичні умови можуть на порядки змінюватися.