Планетарные астрономы объединили измерения, сделанные космическим кораблем NASA Juno, вращающимся вокруг Юпитера, с данными космической миссии XMM-Newton Европейского космического агентства, чтобы разгадать загадку 40-летней давности о происхождении необычных рентгеновских сияний Юпитера. Впервые они увидели весь механизм в действии: электрически заряженные атомы или ионы, ответственные за рентгеновские лучи, "переносят" электромагнитные волны в магнитном поле Юпитера вниз в атмосферу газового гиганта.

Полярные сияния были обнаружены на семи планетах нашей Солнечной системы. Некоторые из этих световых шоу видны человеческому глазу; другие генерируют свет с длиной волны, которую мы можем увидеть только в специальные телескопы. Для производства более коротких волн требуется больше энергии. Юпитер имеет самые мощные полярные сияния в Солнечной системе.

Планетарные астрономы были очарованы авроральным излучением Юпитера с момента его открытия четыре десятилетия назад, потому что не сразу было ясно, как генерируется энергия, необходимая для его производства. Они знали, что это удивительное северное и южное сияние Юпитера вызывается ионами, врезающимися в атмосферу Юпитера. Но до сих пор ученые понятия не имели, как ионы, ответственные за световое шоу в рентгеновских лучах, вообще могут попасть в атмосферу.

На Земле полярные сияния обычно видны только в поясе, окружающем магнитные полюса, между 65 и 80 градусами широты. При температуре выше 80 градусов полярное сияние исчезает, потому что силовые линии магнитного поля покидают Землю и соединяются с магнитным полем солнечного ветра, которое представляет собой постоянный поток электрически заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Они называются открытыми силовыми линиями, и на традиционном изображении высокоширотные полярные области Юпитера и Сатурна также не будут излучать значительные полярные сияния.

Однако рентгеновские сияния Юпитера иные. Они смещены к центру от главного пояса полярных сияний и пульсируют, а те, что на северном полюсе, часто отличаются от таковых на южном полюсе. Это типичные особенности замкнутого магнитного поля, когда линия магнитного поля выходит из планеты на одном полюсе и повторно соединяется с планетой на другом. Все планеты с магнитными полями имеют как открытые, так и закрытые компоненты поля.

Ученые, изучающие этот феномен, обратились к компьютерному моделированию и обнаружили, что пульсирующие рентгеновские сияния могут быть связаны с замкнутыми магнитными полями, которые генерируются внутри Юпитера и затем простираются на миллионы миль в космос, прежде чем повернуть вспять. Но как доказать жизнеспособность модели?

Авторы исследования обратились к данным, полученным как Juno, так и XMM-Newton с 16 по 17 июля 2017 года. В течение двухдневного периода XMM-Newton наблюдал Юпитер непрерывно в течение 26 часов и видел пульсирующие рентгеновские сияния каждые 27 минут.

В то же время Juno путешествовала между 62 и 68 радиусами Юпитера (примерно от 4,4 до 4,8 миллиона километров) над предрассветной областью планеты. Это была именно та область, которая, как показала команда, была важна для запуска пульсаций, поэтому они искали данные Juno на предмет любых магнитных процессов, которые происходили с той же скоростью.

Они обнаружили, что флуктуации магнитного поля Юпитера вызывают пульсирующие рентгеновские сияния. Внешняя граница магнитного поля ударяется непосредственно частицами солнечного ветра и сжимается. Эти сжатия нагревают ионы, захваченные обширным магнитным полем Юпитера, находящимся в миллионах миль от атмосферы планеты.

Это вызывает явление, называемое электромагнитными ионно-циклотронными (ЭМИЦ) волнами, в которых частицы направляются вдоль силовых линий. Управляемые полем, ионы перемещаются на электромагнитной волне через миллионы миль космоса, в конечном итоге врезаясь в атмосферу планеты и вызывая рентгеновские полярные сияния.

Теперь, когда недостающая часть процесса была впервые идентифицирована, открывается множество возможностей для дальнейшего изучения. Например, на Юпитере магнитное поле заполнено ионами серы и кислорода, испускаемыми вулканами на луне Ио. На Сатурне спутник Энцелад выбрасывает воду в космос, заполняя магнитное поле Сатурна ионами водной группы.