Эхо-сигналы радара со спутника Юпитера Европы раскрывают тайны, скрытые подо льдом

Группа ученых использовала радар Голдстоунской обсерватории НАСА и телескоп Грин-Бэнк Национального научного фонда США (NSF GBT) для проведения самого масштабного на сегодняшний день радиолокационного исследования Европы — океанического мира, вращающегося вокруг Юпитера. В период с 2011 по 2024 год команда исследователей неоднократно «пинговала» Европу 3,5-сантиметровыми (1,4 дюйма) радиоволнами, измеряя, как спутник отражает радиолокационные сигналы, и подтвердила, что его ледяная поверхность рассеивает радиоволны необычным и сложным образом, чего не наблюдается у каменистых планет.

Три крупнейших спутника Юпитера — Европа, Ганимед и Каллисто — особенно интересны для ученых, поскольку их внешние слои состоят изо льда и, как считается, под ними скрываются океаны жидкой воды. Из этих трех спутников Европа является главной целью в поисках пригодных для жизни условий за пределами Земли. Геологические особенности дают представление о том, как взаимодействуют ледяная оболочка и лежащий под ней океан, но эти особенности позволяют понять только то, что происходит на поверхности или вблизи нее.

Тунхуэй (Тина) Се, аспирантка, работающая под руководством профессора Жана-Люка Марго в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, объясняет: «Радар позволяет заглянуть под поверхность, потому что радиоволны могут проникать в лед и передавать информацию о его внутренней структуре и чистоте».

Эхо-сигнал радара, отраженный от пористого льда

Новые наблюдения показывают, что «альбедо» Европы — показатель того, насколько яркой она выглядит для радара, — намного выше, чем у обычных планет и астероидов. В отраженном радиолокационном сигнале преобладает та же круговая поляризация, что и в исходном луче, что является признаком многократного рассеяния в чистом пористом льду. Эти свойства убедительно подтверждают гипотезу, известную как «эффект противодействия когерентному обратному рассеянию», согласно которой радиоволны отражаются от льда, прежде чем вернуться к телескопу, что значительно усиливает эхосигнал.

Поскольку команда наблюдала за Европой в бистатической конфигурации — передатчик находился в Голдстоуне, а приемники — в Голдстоуне и в радиотелескопе обсерватории Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, — они также могли проверить, как меняется эффект когерентного обратного рассеяния в зависимости от угла между передатчиком, спутником и приемником. Команда обнаружила, что яркость радара, отражающего сигнал от Европы, оставалась примерно неизменной даже при увеличении угла, а значит, «пик» яркого обратного рассеяния должен быть шире, чем диапазон углов, которые были зафиксированы, что накладывает ограничения на глубину, на которой распространяются радиоволны, прежде чем поглощаются.

Этот предел глубины дает новое представление о прозрачности льда на Европе и поможет ученым интерпретировать данные радаров, которые будут проникать сквозь лед, с космических аппаратов, которые сейчас направляются к спутнику для его более детального изучения.

Стабильный сигнал с течением времени

Эти новые результаты, полученные с помощью наземного оборудования, восполняют пробел в три десятилетия, прошедший с момента последнего крупного радиолокационного исследования Европы в конце 1980-х — начале 1990-х годов. Исследователи обнаружили, что их измерения хорошо согласуются с более ранними результатами, что подтверждает представление о Европе как об объекте с очень высокой отражательной способностью и сильным «диффузным» рассеянием, а не зеркальным отражением, характерным для многих каменистых поверхностей. Такая согласованность повышает уверенность в том, что радиолокационные свойства Европы стабильны с течением времени и что радиолокационные измерения с Земли и космических аппаратов можно интерпретировать в рамках единой физической концепции.

Поскольку наблюдения проводились в течение многих лет и с разных ракурсов, команда задалась вопросом, меняется ли яркость радара на поверхности Европы в зависимости от полушария или долготы. Выяснилось, что усредненные по диску свойства радара на поверхности Европы статистически соответствуют почти постоянному значению при вращении спутника, что согласуется с более ранними наблюдениями.

Однако, когда авторы разделили данные на ведущее и отстающее полушария и провели статистический анализ, они обнаружили — хотя и без статистической достоверности — намек на то, что отстающее полушарие может быть немного ярче в одном из состояний поляризации. Если это подтвердится в ходе дальнейших исследований, то едва заметная разница может быть связана с тем, как заряженные частицы магнитосферы Юпитера воздействуют на лед или влияют на формирование мелкомасштабных поверхностных структур, которые поглощают или рассеивают радиоволны.

Более совершенные инструменты для миссий на Европу

«Будущие миссии в области планетологии и космических полетов, такие как проект NASA «Клипер» на Европе», могут извлечь пользу из этого вида радиолокации, — считает Уилл Арментроут, ученый из Национальной радиоастрономической обсерватории, которая поддерживает проекты в области радиолокации. «По мере развития радиолокационных возможностей телескопа Грин-Бэнк и появления новых технологий, которые сейчас находятся в разработке, мы с нетерпением ждем возможности предоставить научному сообществу еще больше радиолокационных возможностей».

Источник: Национальная радиоастрономическая обсерватория

На изображении:

На этом изображении, созданном художником, показаны радиолокационные волны, отраженные от одного из спутников Юпитера, Европы, под действием радара НАСА «Голдстоун». Радиолокационные волны проникают сквозь ледяную поверхность Европы, а затем отражаются и улавливаются телескопом Грин-Бэнк Национального научного фонда США на Земле.

Источник: Национальный научный фонд США/Астрофизический институт НАН США/Национальная радиоастрономическая обсерватория/П. Востин