Известно, что полярные сияния планеты производят низкоэнергетический рентгеновский свет. Новое исследование, наконец, обнаруживает высокочастотные рентгеновские лучи и объясняет, почему они ускользнули от другой миссии 30 лет назад.
Ученые внимательно изучают Юпитер с 1970-х годов, но газовый гигант по-прежнему полон загадок. Новые наблюдения космической обсерватории НАСА NuSTAR выявили свет самой высокой энергии, когда-либо зарегистрированный от Юпитера. Свет в форме рентгеновских лучей, который NuSTAR может обнаружить, также является светом с самой высокой энергией, когда-либо обнаруженным на планете Солнечной системы, отличной от Земли. Статья в журнале Nature Astronomy сообщает об открытии и раскрывает давнюю загадку: почему миссия «Улисс» не увидела рентгеновских лучей, когда пролетала мимо Юпитера в 1992 году.
Рентгеновские лучи — это форма света, но с гораздо более высокой энергией и более короткими длинами волн, чем видимый свет, который может видеть человеческий глаз. Рентгеновская обсерватория НАСА Чандра и обсерватория XMM-Ньютон ЕКА (Европейское космическое агентство) изучили низкоэнергетическое рентгеновское излучение от полярных сияний Юпитера — световых шоу вблизи северного и южного полюсов планеты, которые возникают, когда извергаются вулканы на луне Юпитера Ио. планета с ионами (атомы лишены своих электронов). Мощное магнитное поле Юпитера ускоряет эти частицы и направляет их к полюсам планеты, где они сталкиваются с ее атмосферой и выделяют энергию в виде света.
Согласно наблюдениям космического корабля НАСА «Юнона», который прибыл к Юпитеру в 2016 году, электроны с Ио также ускоряются магнитным полем планеты. и NuSTAR (сокращение от Nuclear Spectroscopic Telescope Array) — первая обсерватория, подтвердившая эту гипотезу.
«Планетам довольно сложно генерировать рентгеновские лучи в диапазоне, который обнаруживает NuSTAR», — сказала Кая Мори, астрофизик из Колумбийского университета и ведущий автор нового исследования. «Но у Юпитера огромное магнитное поле, и он вращается очень быстро. Эти две характеристики означают, что магнитосфера планеты действует как гигантский ускоритель частиц, и именно это делает возможными эти выбросы более высокой энергии».
Исследователи столкнулись с множеством препятствий, чтобы обнаружить NuSTAR: например, выбросы с более высокой энергией значительно слабее, чем излучения с более низкой энергией. Но ни одна из проблем не могла объяснить необнаружение Ulysses, совместной миссии НАСА и ЕКА, которая была способна обнаруживать рентгеновские лучи более высокой энергии, чем NuSTAR. Космический корабль «Улисс» был запущен в 1990 году и после нескольких продлений миссии работал до 2009 года.
Решение этой загадки, согласно новому исследованию, заключается в механизме, производящем высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Свет исходит от энергичных электронов, которые Juno может обнаружить с помощью своего эксперимента по распределению полярных сияний Юпитера (JADE) и детектора энергетических частиц Юпитера (JEDI), но есть несколько механизмов, которые могут заставить частицы излучать свет. Без прямого наблюдения за светом, излучаемым частицами, почти невозможно понять, какой механизм отвечает за это.
В этом случае виновником является так называемое тормозное излучение. Когда быстро движущиеся электроны сталкиваются с заряженными атомами в атмосфере Юпитера, они притягиваются к атомам, как магниты. Это заставляет электроны быстро замедляться и терять энергию в виде высокоэнергетического рентгеновского излучения. Это похоже на то, как быстро движущийся автомобиль передает энергию своей тормозной системе для замедления; на самом деле, тормозное излучение означает «тормозное излучение» на немецком языке. (Ионы, которые производят рентгеновские лучи с более низкой энергией, излучают свет посредством процесса, называемого излучением атомных линий.)
Каждый механизм излучения света создает несколько разные световые профили. Используя установленные исследования профилей тормозного излучения , исследователи показали, что рентгеновские лучи должны становиться значительно слабее при более высоких энергиях, в том числе в диапазоне обнаружения Ulysses.
«Если бы вы сделали простую экстраполяцию данных NuSTAR, это показало бы вам, что Улисс должен был быть в состоянии обнаружить рентгеновские лучи на Юпитере», — сказал Шифра Мандель, доктор философии. студент астрофизики Колумбийского университета и соавтор нового исследования. «Но мы построили модель, включающую тормозное излучение, и эта модель не только соответствует наблюдениям NuSTAR, но и показывает нам, что при еще более высоких энергиях рентгеновские лучи были бы слишком слабыми для Ulysses».
Выводы статьи основаны на одновременных наблюдениях Юпитера с помощью NuSTAR, Juno и XMM-Newton.
Новые главы
На Земле ученые обнаружили рентгеновские лучи в полярных сияниях Земли с еще более высокими энергиями, чем то, что NuSTAR видел на Юпитере. Но эти излучения чрезвычайно слабые — намного слабее, чем у Юпитера, — и их можно обнаружить только с помощью небольших спутников или высотных аэростатов, которые подходят очень близко к местам в атмосфере, которые генерируют эти рентгеновские лучи. Точно так же для наблюдения за этими выбросами в атмосфере Юпитера потребуется рентгеновский прибор рядом с планетой с большей чувствительностью, чем у Улисса в 1990-х годах.
«Обнаружение этих выбросов не закрывает дело, оно открывает новую главу», — сказал Уильям Данн, исследователь из Университетского колледжа Лондона и соавтор статьи. «У нас все еще есть так много вопросов об этих выбросах и их источниках. Мы знаем, что вращающиеся магнитные поля могут ускорять частицы, но мы не до конца понимаем, как они достигают таких высоких скоростей на Юпитере. Какие фундаментальные процессы естественным образом производят такие энергичные частицы?»
Ученые также надеются, что изучение рентгеновского излучения Юпитера поможет им понять еще более экстремальные объекты в нашей Вселенной. NuSTAR обычно изучает объекты за пределами нашей Солнечной системы, такие как взрывающиеся звезды и диски горячего газа, ускоренные гравитацией массивных черных дыр.
Новое исследование является первым примером того, как ученые могут сравнивать наблюдения NuSTAR с данными, полученными в источнике рентгеновских лучей (Juno). Это позволило исследователям напрямую проверить свои идеи о том, что создает эти высокоэнергетические рентгеновские лучи. Юпитер также имеет ряд физических сходств с другими магнитными объектами во Вселенной — магнетарами, нейтронными звездами и белыми карликами — но исследователи не до конца понимают, как частицы ускоряются в магнитосферах этих объектов и излучают высокоэнергетическое излучение. Изучая Юпитер, исследователи могут раскрыть детали далеких источников, которые мы пока не можем посетить.
Подробнее о миссиях
NuSTAR был запущен 13 июня 2012 года. Миссия Small Explorer, возглавляемая Калифорнийским технологическим институтом и управляемая JPL для Управления научной миссии НАСА в Вашингтоне, была разработана в сотрудничестве с Датским техническим университетом и Итальянским космическим агентством (ASI). Оптика телескопа была построена Колумбийским университетом; Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и DTU. Космический корабль был построен компанией Orbital Sciences Corp. в Даллесе, штат Вирджиния. Центр управления миссией NuSTAR находится в Калифорнийском университете в Беркли, а официальный архив данных находится в Научно-исследовательском центре астрофизики высоких энергий НАСА. ASI предоставляет наземную станцию миссии и зеркальный архив данных. Калифорнийский технологический институт управляет JPL для НАСА.
