Jowisz w końcu zaobserwowano wypluwanie promieni rentgenowskich na falach o wysokiej energii.
Pochodzące ze stałych zórz olbrzymiej planety i wykryte przez kosmiczny teleskop rentgenowski NASA NuSTARemisje są najbardziej energetycznym światłem widzianym z dowolnej planety w Układzie Słonecznym (oprócz Ziemi).
Wykrycie może rzucić światło na najpotężniejsze zorze polarne w Układzie Słonecznym i rozwiązać od dawna zagadkę: dlaczego wspólna ESA-NASA Ulisses Statek kosmiczny nie wykrył żadnych promieni rentgenowskich Jowisza przez prawie trzy dekady swojej działalności w latach 1990-2009.
Zorze Jowisza to absolutnie fascynujące zjawisko. Na obu biegunach planetę otaczają stałe zorze polarne – niewidoczne dla naszych oczu, ale świecące wspaniale w zakresie fal ultrafioletowych. Obserwatoria rentgenowskie Chandra i XMM-Newton zaobserwowały również, że regiony te emitują niskoenergetyczne lub „miękkie” promienie rentgenowskie.
Naukowcy uważali, że powinna być też wysoka energia, czyli „twarde” promienie rentgenowskie promienie rentgenowskiewykracza poza to, co te instrumenty mogą wykryć. Dlatego użyli NuSTAR do ich poszukiwania.
„Wygenerowanie promieni rentgenowskich w zakresie wykrywanym przez NuSTAR jest dość trudnym zadaniem dla planet” powiedział astrofizyk Kaya Mori Uniwersytetu Columbia.
„Ale Jowisz ma ogromne pole magnetyczne i wiruje bardzo szybko. Te dwie cechy oznaczają, że magnetosfera planety działa jak gigantyczny akcelerator cząstek i to właśnie umożliwia emisje o wyższej energii”.
Zorze polarne na Jowiszu są podobne do zorzy polarnych na Ziemi, gdzie są generowane przez niepodobne do siebie cząstki wiejące ze Słońca. Zderzają się z polem magnetycznym Ziemi, które wysyła naładowane cząstki, takie jak protony i elektrony, śmigając wzdłuż linii pola magnetycznego w kierunku biegunów, gdzie opadają na górną warstwę atmosfery Ziemi i zderzają się z cząsteczkami atmosferycznymi. Wynikająca z tego jonizacja tych cząsteczek generuje oszałamiające tańczące światła.
Na Jowiszu podstawowy mechanizm jest podobny, ale jest kilka różnic. Jak już wcześniej wspomniano, zorze są stałe i trwałe; to dlatego, że cząstki nie są słoneczne, ale pochodzą z księżyca Jowisza Io, najbardziej wulkanicznego świata w Układzie Słonecznym.
Stale emituje dwutlenek siarki, który jest natychmiast usuwany w wyniku złożonej interakcji grawitacyjnej z planetą, ulega jonizacji i formuje torus plazmy wokół gazowego giganta. Cząstki z tego torusa są wysyłane ze świstem wzdłuż linii pola magnetycznego do biegunów i tak dalej.
Emisja wykryta przez NuSTAR. (NASA/JPL-Caltech)
Proces ten generuje miękkie promienie rentgenowskie, jak wcześniej odkryto. Teraz znaleziono również twarde promienie rentgenowskie. Nie było to łatwe wykrycie, ponieważ wysokoenergetyczne promienie rentgenowskie są w rzeczywistości dość słabe, ale to, zdaniem naukowców, nie wyjaśnia, dlaczego Ulisses nie mógł ich wykryć. Odkryli, że odpowiedź leży w sposobie generowania twardych promieni rentgenowskich.
Kiedy elektrony są przyspieszane wzdłuż linii pola magnetycznego Jowisza, w końcu wchodzą w atmosferę planety z dużą prędkością. Kiedy te elektrony wejdą w pobliże jąder atomowych i ich pól elektrycznych, zostają nagle odchylone i wyhamowane. Jednak ich energia kinetyczna musi gdzieś iść, zgodnie z prawem zachowania energii, więc zostaje zamieniona na promieniowanie rentgenowskie.
To się nazywa bremsstrahlunglub promieniowanie hamowania. Miękkie promienie rentgenowskie są generowane przez inny mechanizm zwany wymianą ładunku, w którym elektrony są przenoszone na jony, których podniecenie generuje poświatę.
Jak twierdzą naukowcy, każdy z tych mechanizmów wytwarza inny profil światła. Przy wyższych energiach promienie rentgenowskie powinny być słabsze przy wyższych energiach, co wyjaśniałoby, dlaczego Ulisses nigdy ich nie znalazł.
Zespół modelował dane, w tym mechanizm bremsstrahlung, i nie tylko pasował do obserwacji NuSTAR, ale wykazał, że emisja wykracza poza zakres czułości Ulyssesa. Jak dotąd tak dobrze, ale dopiero zaczęliśmy badać to zjawisko.
Na przykład, chociaż NuSTAR mógł wykrywać twarde promienie rentgenowskie w ogólnym regionie zórz Jowisza, nie był w stanie wskazać dokładnego punktu emisji.
„Odkrycie tych emisji nie zamyka sprawy; otwiera nowy rozdział” powiedział astronom William Dunn University College London w Wielkiej Brytanii.
„Wciąż mamy tak wiele pytań dotyczących tych emisji i ich źródeł. Wiemy, że wirujące pola magnetyczne mogą przyspieszać cząstki, ale nie do końca rozumiemy, w jaki sposób osiągają one tak duże prędkości na Jowiszu. Jakie fundamentalne procesy wytwarzają tak energetyczne, naturalnie cząstki?”
Przyszłe badania rentgenowskie zórz na Jowiszu mogą pomóc rzucić więcej światła na toczącą się fizykę.
Badanie zostało opublikowane w Astronomia Przyrody.
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”
