Zdjęcie w tle: ESA

40-letnia tajemnica dotycząca przyczyny występowania rentgenowskich zórz polarnych na Jowiszu została rozwiązana. Po raz pierwszy naukowcy zaobserwowali powodujący je mechanizm i możliwe jest, że ten proces zachodzi też w wielu innych miejscach we Wszechświecie.

Astronomowie zajmujący się planetami od dziesięcioleci badali spektakularne rentgenowskie zorze polarne występujące na Jowiszu. „Kolory” tych zórz sugerują, że są one powodowane przez naładowane elektrycznie cząsteczki, zwane anionami, zderzające się z atmosferą Jowisza. Jednak jeszcze do niedawna astronomowie nie mieli pojęcia, jak to się działo, że te cząsteczki były w stanie się dostać do Jowiszowej atmosfery.

Jednak teraz, po raz pierwszy udało im się zaobserwować jony „surfujące” po falach elektromagnetycznych
w polu magnetycznym Jowisza, co skutkowało ich zderzeniami z atmosferą.

Istotne informacje wskazujące na występowanie tego zjawiska uzyskano z analizy danych zebranych przez teleskop ESA XMM-Newton oraz satelity Juno, podlegającego pod NASA. Znajdujący się na ziemskiej orbicie XMM-Newton przeprowadzał obserwacje rentgenowskich zorzy polarnych Jowisza z dużej odległości, natomiast bezpośrednio orbitujący gazowego olbrzyma Juno zbierał dane „na miejscu”, z wnętrza Jowiszowej atmosfery. Jednak podczas procesu zbierania danych, pytanie brzmiało: czego w ogóle powinni szukać naukowcy?

Wskazówki pojawiły się, kiedy Zhonghua Yao z Instytutu Geologii i Geofizyki w Chińskiej Akademii Nauk, główny autor nowych badań, zorientował się, że jeśli chodzi o rentgenowskie zorze na Jowiszu, to coś się nie zgadzało.

Na Ziemi zorze polarne są widoczne tylko w pasie otaczającym bieguny magnetyczne, pomiędzy 65 a 80 stopniem szerokości geograficznej. Powyżej 80 stopni emisja zorzy znika, ponieważ linie pola magnetycznego opuszczają powierzchnię planety i łączą się z polem magnetycznym wiatru słonecznego, który jest ciągłym strumieniem naładowanych elektrycznie cząsteczek wyrzucanych przez Słońce. Są to tak zwane linie otwartego pola i teoretycznie, tak jak w przypadku Ziemi, znaczących rozmiarów zorze polarne nie powinny występować na wysokich szerokościach geograficznych zarówno Jowisza jak i Saturna.

A jednak je obserwujemy. Występują w kierunku biegunów od głównego pasa zórz polarnych, regularnie pulsują i okazjonalnie różnią się na południowym i północnym biegunie. Są to typowe znaki charakterystyczne zamkniętych pól magnetycznych, gdzie linie pola opuszczają powierzchnię planety na jednym biegunie, i ponownie się z nią łączą na drugim.

Korzystając z symulacji komputerowych, Zhonghua Yao i jego współpracownicy już wcześniej odkryli, że pulsujące rentgenowskie zorze na Jowiszu mogą być połączone z występowaniem na nim zamkniętych pól magnetycznych, powstających we wnętrzu planety i przed zawróceniem rozciągających się w przestrzeń kosmiczną na miliony kilometrów.

16 i 17 lipca 2017 roku XMM-Newton obserwował Jowisza bez przerwy przez 26 godzin i zarejestrował rentgenowskie zorze polarne pulsujące regularnie co 27 minut. Jednocześnie Juno, będący na orbicie Jowisza, przemieszczał się między 62 a 68 stopniami szerokości geograficznej planety, ponad jej nieoświetlonymi przez świt obszarami. To obszar, który, według przeprowadzonych symulacji, miał swoją rolę w wyzwalaniu obserwowanych pulsacji. Po zebraniu danych przez Juno, naukowcy analizowali je w kierunku zachodzących w tym samym tempie procesów magnetycznych.

Odkryli, że pulsujące zorze magnetyczne są powodowane przez fluktuacje w polu magnetycznym Jowisza. W czasie obrotu, planeta „ciągnie” za sobą swoje pole magnetyczne, które uderzane jest bezpośrednio przez cząsteczki wiatru słonecznego, co powoduje jego kompresję. Kompresje te ogrzewają cząsteczki uwięzione w polu magnetycznym Jowisza, powodując zjawisko zwane falami EMIC (electromagnetic ion cyclotron), kiedy to owe cząsteczki kierowane są wzdłuż linii pola.

Cząsteczki te są elektrycznie naładowanymi atomami zwanymi anionami. Kierowane przez pole, jony „surfują” fale EMIC przez miliony kilometrów przestrzeni kosmicznej, by w końcu zderzyć się z atmosferą planety, kreując rentgenowskie zorze polarne.

Wizja artystyczna przedstawiająca Jowisza i – w postaci niebieskich i fioletowych linii – jego pole magnetyczne. Kolorowe kule reprezentują naładowane elektrycznie jony. Z lewej i prawej strony odpowiednio przedstawiony jest teleskop XMM-Newton na orbicie wokół Ziemi i sonda Juno, krążąca wokół Jowisza.

„To, co obserwujemy w danych zebranych przez Juno, jest pięknym ciągiem wydarzeń. Widzimy zachodzącą kompresję, widzimy powstawanie fali EMIC, a następnie obserwujemy puls wytworzony przez jony poruszające się wzdłuż linii pola. A parę minut później XMM wychwytuje rozbłysk promieni rentgenowskich”  — mówi William Dunn z Mullard Space Science Laboratory z Londyńskiego University College, współprowadzący badań.

Zidentyfikowanie zjawiska odpowiedzialnego za powstawanie rentgenowskich zórz polarnych na Jowiszu otwiera całą gamę spekulacji na temat tego, gdzie indziej jeszcze można je zaobserwować. Pole magnetyczne Jowisza, na przykład, wypełnione jest  jonami siarki i tlenu, pochodzącymi z aktywnych wulkanów na powierzchni księżyca planety, Io. Natomiast pole Saturna pełne jest jonów wody, gdyż jeden z jego księżyców, Enceladus, wyrzuca je z impetem w przestrzeń kosmiczną.

„Proces, który obserwujemy, ma swoje miejsce zarówno na Jowiszu, Saturnie, Neptunie, oraz prawdopodobnie również na egzoplanetach.” — mówi Zhonghua.

Jednak owo zjawisko może występować nie tylko na odległych planetach. Teraz kiedy proces stojący za zorzami na Jowiszu został ujawniony, okazało się, że jonowe zorze polarne obserwowane na Ziemi są uderzająco podobne. W przypadku naszej planety odpowiedzialnymi za zjawisko jonami są protony pochodzące z atomów wodoru, mające jednak zbyt małą energię, by podczas zderzenia z atmosferą wytworzyć promieniowanie rentgenowskie.

„Może się okazać, że fale EMIC mają bardzo istotną rolę w przekazie energii we Wszechświecie.” — mówi William Dunn.

Zarówno badania Jowisza, jak i jego zórz będą kontynuowane z pomocą Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) Europejskiej Agencji Kosmicznej, mającym dotrzeć do gazowego olbrzyma do 2029 roku. Juice będzie badał zarówno atmosferę Jowisza, jego magnetosferę, jak i efekt, jaki na zorze polarne mają jego cztery największe księżyce.

Powyższy obrazek to wizja artystyczna sondy Juice na tle Jowisza i jego czterech największych księżyców, tak zwanych księżyców galileuszowych. W lewym dolnym rogu znajduje się Io, a po prawej od góry Kallisto, Europa i Ganimedes. Na biegunie Jowisza widać natomiast niebieską rentgenowską zorzę polarną.

 

Autor

Zuzanna Kawalec