Загадочные высокоэнергетические рентгеновские лучи были обнаружены, исходящие от Юпитера

Юпитер наконец-то был замечен извергающим рентгеновское излучение в высокоэнергетическом диапазоне длин волн.

Исходящие от постоянных авроров гигантской планеты и обнаруженные космическим рентгеновским телескопом НАСА NuSTAR, эти излучения являются самым энергичным светом, исходящим от любой планеты Солнечной системы (кроме Земли).

Это открытие может пролить свет на самые мощные авроры в Солнечной системе и решить давнюю загадку: почему совместный космический аппарат ЕКА и НАСА Ulysses не обнаружил рентгеновских лучей Юпитера за почти три десятилетия своей работы с 1990 по 2009 год.

Авроры Юпитера представляют собой совершенно удивительное явление. На обоих его полюсах планета окольцована постоянными аврорами - невидимыми для наших глаз, но ярко светящимися в ультрафиолетовых волнах. Эти области также были замечены рентгеновскими обсерваториями Chandra и XMM-Newton, испускающими низкоэнергетическое, или "мягкое" рентгеновское излучение.

Ученые подумали, что должны существовать и высокоэнергетические, или "жесткие" рентгеновские лучи, выходящие за пределы того, что могут обнаружить эти приборы. Поэтому они использовали NuSTAR для их поиска.

"Для планет довольно сложно генерировать рентгеновские лучи в диапазоне, который обнаруживает NuSTAR", - говорит астрофизик Кайя Мори из Колумбийского университета.

"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 высокоэнергетические выбросы".

Авроры Юпитера одновременно похожи и не похожи на авроры на Земле, где они создаются частицами, прилетающими с Солнца. Они сталкиваются с магнитным полем Земли, в результате чего заряженные частицы, такие как протоны и электроны, проносятся вдоль линий магнитного поля к полюсам, где они обрушиваются на верхние слои атмосферы Земли и сталкиваются с атмосферными молекулами. В результате ионизации этих молекул образуются потрясающие танцующие огни.

На Юпитере основной механизм похож, но есть несколько отличий. Как уже отмечалось, авроры постоянны и перманентны; это потому, что частицы не солнечные, а от луны Юпитера Ио, самого вулканического мира в Солнечной системе.

Она постоянно выбрасывает двуокись серы, которая в результате сложного гравитационного взаимодействия с планетой немедленно улетучивается, ионизируется и образует плазменный тор вокруг газового гиганта. Частицы из этого тора посылаются вдоль линий магнитного поля к полюсам и так далее.

Этот процесс генерирует мягкое рентгеновское излучение, как было обнаружено ранее. Теперь обнаружены и жесткие рентгеновские лучи. Это было нелегко обнаружить, поскольку высокоэнергетические рентгеновские лучи на самом деле довольно слабые, но это, по словам исследователей, не объясняет, почему "Улисс" не смог их обнаружить. Ответ, по их мнению, кроется в способе генерации жесткого рентгеновского излучения.

Когда электроны ускоряются вдоль линий магнитного поля Юпитера, они входят в атмосферу планеты на высокой скорости. Когда эти электроны оказываются вблизи атомных ядер и их электрических полей, они резко отклоняются и замедляются. Однако, согласно закону сохранения энергии, их кинетическая энергия должна куда-то деваться, поэтому она преобразуется в рентгеновское излучение.

Это называется бремштралунгом, или тормозным излучением. Мягкое рентгеновское излучение генерируется с помощью другого механизма, называемого обменом зарядами, в котором электроны передаются ионам, возбуждение которых вызывает свечение.

По словам исследователей, каждый из этих механизмов создает свой световой профиль. При более высоких энергиях бремштралунговские рентгеновские лучи должны быть более слабыми, что объясняет, почему "Улисс" так и не обнаружил их.

Команда смоделировала данные, включая механизм бремсстралунга, и это не только совпало с наблюдениями NuSTAR, но и показало, что излучение находится вне диапазона чувствительности "Улисса". Пока все хорошо, но мы только начали исследовать это явление.

Например, хотя NuSTAR смог обнаружить жесткое рентгеновское излучение в общей области аврор Юпитера, он не смог точно определить точку выброса.

"Открытие этих выбросов не закрывает дело; оно открывает новую главу", - сказал астроном Уильям Данн из Университетского колледжа Лондона в Великобритании.

"У нас еще очень 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 порождают такие энергичные частицы?".

Будущие исследования аврор Юпитера с помощью жестких рентгеновских лучей могут помочь пролить больше света на физику происходящего.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.