Северное сияние Юпитера создает более динамичное и загадочное световое шоу, чем когда-либо ожидали ученые. Новые наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) показывают, что полярные сияния газового гиганта могут мерцать и изменяться в течение нескольких секунд, бросая вызов предыдущим представлениям о том, как ведут себя эти массивные световые проявления.

Результаты, опубликованные 12 мая в Nature Communications, сравнивают одновременные инфракрасные и ультрафиолетовые наблюдения полярных сияний Юпитера, предлагая беспрецедентное понимание верхних слоев атмосферы и магнитного поля планеты.

«Какой это был рождественский подарок — он просто поразил меня!» — сказал Джонатан Николс из Университета Лестера, который возглавлял исследовательскую группу. «Мы хотели увидеть, как быстро меняются полярные сияния, ожидая, что они будут медленно появляться и исчезать, возможно, в течение четверти часа или около того. Вместо этого мы наблюдали, как вся область полярных сияний шипит и взрывается светом, иногда изменяясь каждую секунду».

Отслеживание мерцающих огней

Используя камеру ближнего инфракрасного диапазона Уэбба, исследователи получили изображения северных полярных сияний Юпитера 25 декабря 2023 года с беспрецедентным временным разрешением в 3 секунды — примерно в 100 раз быстрее, чем при обычных наземных наблюдениях.

Исследование было сосредоточено на выбросах ионов триводорода (H3+), который играет ключевую роль в энергетическом балансе атмосферы Юпитера. Эти ионы образуются, когда энергичные частицы, ускоренные в магнитосфере Юпитера, сталкиваются с молекулами в верхних слоях атмосферы.

Исследовательская группа подсчитала, что H3+ имеет удивительно короткое время жизни — всего 150 секунд в полярном сиянии Юпитера, что намного короче, чем предыдущие оценки в 10-15 минут. Это более короткое время жизни означает, что полярные сияния могут гораздо быстрее реагировать на изменения в магнитосфере Юпитера, чем считалось ранее.

Сбивающие с толку шаблоны яркости

Наблюдения выявили несколько неожиданных особенностей, в том числе яркую «активную область в сумерках» (DAR), которая интенсивно светится в инфракрасном свете, но имеет мало аналогов в ультрафиолетовых наблюдениях.

«Как ни странно, самый яркий свет, наблюдаемый Уэббом, не имел реального аналога на снимках Хаббла», — отметил Николс. «Это заставило нас почесать затылки. Для того, чтобы вызвать комбинацию яркости, наблюдаемую как Уэббом, так и Хабблом, нам нужна кажущаяся невозможной комбинация большого количества частиц очень низкой энергии, попадающих в атмосферу – как моросящая буря! Мы до сих пор не понимаем, как это происходит».

Одновременные наблюдения «Уэбба» и «Хаббла» показали, что в то время как некоторые особенности полярных сияний проявляются в обеих длинах волн, другие уникальны для инфракрасного или ультрафиолетового света.

Быстро движущиеся импульсы

Команда также обнаружила быстрые авроральные импульсы (REAP), движущиеся на восток — световые волны, которые движутся со скоростью примерно 60 км в секунду, что примерно в 20 раз превышает скорость вращения Юпитера. Эти импульсы имеют период около 1,6 минуты и могут быть связаны с электромагнитными волнами в магнитосфере Юпитера.

Подобные быстрые пульсации наблюдались при распространении вдоль «хвоста» полярного сияния, связанного со спутником Юпитера Ио, движущегося со скоростью около 67 км в секунду.

Последствия для планетарного отопления

Полученные результаты имеют важное значение для понимания того, как нагреваются верхние слои атмосферы Юпитера – давний вопрос в планетологии.

Исследователи обнаружили, что H3+ излучает только около 2% тепловой энергии, выделяемой электронами во время полярных вспышек, что делает его менее эффективным «термостатом» для верхних слоев атмосферы Юпитера, чем считалось ранее.

В некоторых регионах, таких как активная область в сумерках, излучение H3+ превышало локальную скорость нагрева, в то время как в других оно было намного ниже, что свидетельствует о сложных механизмах энергетического баланса, работающих в полярных регионах Юпитера.

Будущие исследования

Эти наблюдения открывают новые возможности для понимания сложной космической среды Юпитера и могут обеспечить контекст для миссии Европейского космического агентства Jupiter Icy Moons Explorer (Juice), которая в настоящее время находится на пути к гигантской планете.

Исследовательская группа планирует провести дополнительные наблюдения «Уэбба» и сравнить их с данными космического аппарата NASA «Юнона», который находится на орбите Юпитера с 2016 года, чтобы лучше понять причины этих загадочных особенностей полярных сияний.

Картографируя подробное поведение полярного сияния Юпитера, ученые надеются получить представление о взаимодействии между магнитным полем планеты, атмосферой и спутниками – знания, которые могут улучшить наше понимание магнитных полей и атмосфер во всей Вселенной.

Родственный