Полярные сияния на Ганимеде и Земле поразительно похожи

Новые наблюдения за Ганимедом выявили поразительное сходство между полярными сияниями на крупнейшем спутнике Солнечной системы и на Земле. Международная группа астрофизиков под руководством исследователей из Льежского университета получила новые результаты, которые указывают на то, что, несмотря на различия в условиях, фундаментальные физические процессы, вызывающие полярные сияния, характерны для разных небесных тел, а не только для планет.

Как образуются полярные сияния на Земле

Группа астрофизиков из Лаборатории физики атмосферы и планет (LPAP) впервые изучила мельчайшие детали полярных сияний на Ганимеде — единственном спутнике Солнечной системы, имеющем собственное внутреннее магнитное поле, подобное земному. Наблюдение за полярными сияниями является краеугольным камнем анализа космической погоды, поскольку позволяет получить полное представление о характеристиках и влиянии космических частиц на атмосферу.

На протяжении веков человечество наблюдало рассеянное и переменчивое свечение, которое время от времени озаряло ночное небо красным, зелёным, фиолетовым и синим светом. Это явление известно как «полярное сияние». Обычно его наблюдают в полярных широтах, хотя мы только что миновали пик 11-летнего солнечного цикла, из-за которого в средних широтах часто наблюдаются интенсивные полярные сияния.

На нашей планете полярные сияния возникают из-за того, что солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли и вызывает мощное электромагнитное взаимодействие, в результате которого частицы из космоса попадают в атмосферу Земли. Там они возбуждают атомы кислорода и азота, создавая свет, видимый невооруженным глазом.

Полярные сияния в Солнечной системе

Однако полярные сияния наблюдаются и на других планетах, таких как Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и Уран. За последнее десятилетие исследование системы Юпитера продвинулось далеко вперед благодаря космическому аппарату «Юнона», который прибыл к Юпитеру в 2016 году и вот-вот завершит свою десятую миссию. Основная цель миссии — Юпитер, но 7 июля 2021 года «Юнона» пролетела мимо Ганимеда.

«Полярные сияния наблюдаются и на Ганимеде и вызваны осаждением электронов в его разреженной кислородной атмосфере, — объясняет Филипп Гусбин, чья магистерская диссертация по космическим наукам послужила основой для этого исследования. — Наблюдения за полярными сияниями на Ганимеде до прибытия «Юноны» были ограничены пространственным разрешением наземных наблюдений и не позволяли рассмотреть мелкомасштабные структуры, характерные для планетарных полярных сияний».

Крупный план Ганимеда, снятый «Юноной»

LPAP активно участвует в анализе наблюдений за полярными сияниями, собранных инфракрасными и ультрафиолетовыми приборами «Юноны». Ультрафиолетовый спектрограф «Юноны» (UVS) обеспечивает пространственное разрешение в несколько километров, что позволило команде исследователей обнаружить, что полярное сияние на Ганимеде локально фрагментировано на цепочки пятен.

«Подобные структуры, известные как бусины, наблюдались в полярных сияниях на Земле и Юпитере, где они связаны с субштормами и утренними бурями — масштабными перестройками магнитосферы, которые высвобождают огромное количество энергии и вызывают интенсивную авроральную активность», — объясняет Алессандро Мойрано, научный сотрудник LPAP. Ганимед взаимодействует с космической средой Юпитера аналогично тому, как Земля взаимодействует с солнечным ветром; следовательно, обнаружение участков полярных сияний на Ганимеде, подобных тем, что есть на Земле, предполагает, что фундаментальные физические процессы, как правило, могут быть вызваны взаимодействием между любым небесным телом, его магнитосферой и внешними силами.

Что могут показать будущие миссии

"Сближение "Юноны" с Ганимедом длилось менее 15 минут, и космический аппарат больше никогда не пролетит над Ганимедом. Поэтому мы не знаем, насколько распространены эти явления и как они меняются с течением времени. К счастью, миссия Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) Европейского космического агентства в настоящее время направляется к Юпитеру, куда прибудет в 2031 году, и будет проводить специальные наблюдения за Ганимедом», — говорит астрофизик Бертран Бонфон.

Космический аппарат оснащен ультрафиолетовым спектрографом, аналогичным тому, что установлен на «Юноне». Это позволит нам проводить наблюдения в течение более длительного времени, отслеживать эволюцию полярных сияний на Ганимеде и, будем надеяться, раскрыть новые тайны.

На изображении:

Художественное изображение ультрафиолетового полярного сияния на Ганимеде, основанное на наблюдениях «Юноны» с близкого расстояния 7 июля 2021 года. Поскольку «Юнона» пролетала мимо Ганимеда на высокой скорости, ее ультрафиолетовый спектрограф мог запечатлеть только узкие полосы, которые здесь объединены, чтобы показать общую форму полярного сияния (слева). Однако при увеличении отдельных полос (справа) становится видно, что полярное сияние состоит из цепочки пятен, а не из сплошного сияния. Подобные полярные сияния наблюдались на Земле, а также на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн, что позволяет предположить наличие универсальных процессов.

Фото: NASA/JPL-Caltech/SwRI/UVS/ULi?ge/Gusbin/Bonfond