Przez 40 lat intensywne zorze polarne Jowisza intrygowały astronomów na całym świecie. Naukowcy wiedzieli, że owe zjawisko wywoływane jest przez jony uderzające w atmosferę gazowego olbrzyma. Nie było jednak jasne, w jaki sposób jony odpowiedzialne za pojawienie się promieniowania rentgenowskiego, przedostają się do atmosfery. Dziś, znamy już rozwiązanie tego problemu.
Zjawisko zorzy polarnej zostało wykryte na siedmiu planetach naszego Układu Słonecznego. Część z nich jest widoczna dla ludzkiego oka, natomiast inne generują fale elektromagnetyczne obserwowalne tylko przy pomocy specjalistycznych teleskopów. Im krótsza fala jest emitowana, tym większa energia jest potrzebna. Najsilniejsze zorze w Układzie Słonecznym powstają za udziałem Jowisza. Jest on także jedynym gazowym olbrzymem naszego układu planetarnego, który emituje promieniowanie rentgenowskie.
Fascynacja rentgenowską emisją zórz Jowisza trwała nieprzerwanie od momentu odkrycia zjawiska cztery dekady temu. Naukowcy wiedzieli, że majestatyczne światła na biegunach planety wyzwalane są przez jony uderzające w atmosferę olbrzyma. Zagadkę stanowił sposób, w jaki te jony przedostają się do atmosfery.
Na Ziemi zorze można zaobserwować głównie za kołami podbiegunowymi, w pasie między 65 a 80 stopniami szerokości geograficznej. Powyżej górnej granicy wspomnianego przedziału emisja zorzy zanika. Wynika to stąd, że linie pola magnetycznego Ziemi opuszczają ją i łączą się z polem magnetycznym – polem pochodzącym od wiatru słonecznego będącego stałym strumieniem naładowanych elektrycznie cząstek wyrzucanych przez Słońce. Linie te nazywamy liniami otwartego pola. Z tego powodu obszary polarne Jowisza znajdujące się na znacznych szerokościach geograficznych również nie powinny emitować zauważalnych zórz.
Zorze rentgenowskie Jowisza różnią się jednak od ziemskich. Te występują wokół biegunów planety i pulsują. Co więcej, zjawisko na biegunie północnym często różni się od tego występującego na biegunie południowym. Jest to typowe dla zamkniętego pola magnetycznego, w którym linia wychodząca z pola na jednym biegunie planety łączy się z nią na drugim. Wszystkie planety z polami magnetycznymi mają zarówno otwarte, jak i zamknięte komponenty pola.
Magnetosfera Jowisza. Źródło: Wikipedia
Zespół badający omawiane zjawisko skorzystał z symulacji komputerowej. Odkryto, że pulsujące zorze rentgenowskie mogą być powiązane z zamkniętymi polami magnetycznymi generowanymi wewnątrz Jowisza, które rozciągają się na miliony mil w kosmos, zanim zawrócą w kierunku planety. Badacze połączyli dane uzyskane przez sondę Juno z tymi zebranymi przez XMM-Newton między 16 a 17 lipca 2017 r. W ciągu tych dwóch dni XMM-Newton obserwował Jowisza nieprzerwanie przez 26 godzin, rejestrował przy tym zorzę rentgenowską pulsującą co 27 minut. Sonda Juno w tym samym czasie podróżowała w odległości od 4,4 do 4,8 miliona kilometra nad wybranym obszarem planety. Był to region ważny dla wyzwalania pulsacji, sugerowany przez symulacje,. Przeszukano więc dane Juno pod kątem procesów magnetycznych, zachodzących w tym samym tempie co te rejestrowane przez XMM-Newton.
Okazało się, że to fluktuacje pola magnetycznego Jowisza przyczyniły się do powstania pulsujących zórz rentgenowskich. Zewnętrzna granica pola magnetycznego jest uderzana bezpośrednio przez cząstki wiatru słonecznego i ulega przy tym kompresji. Kompresje te ogrzewają jony uwięzione w rozległym polu magnetycznym olbrzyma znajdujące się miliony kilometrów od atmosfery planety.
Proces wywołuje zjawisko nazywane falami EMIC (electromagnetic ion cyclotron). Cząstki kierowane są wzdłuż linii pola. W ten sposób jony poruszają się po fali EMIC, pokonują miliony kilometrów zanim uderzą w atmosferę planety i wyzwalają przy tym zorze rentgenowskie.
Ma więc miejsce pewien łańcuch wydarzeń. Najpierw zachodzi kompresja, następnie wyzwalana jest fala EMIC, dostrzegamy jony, aby potem zauważyć ich puls przemieszczający się wzdłuż linii pola. Wynikiem tego jest obserwowany kilka minut później rozbłysk promieni rentgenowskich. Odkryty element procesu powstawania zórz Jowisza, posłuży przy badaniu innych zjawisk. Przykładowo, jeden z księżyców Saturna, Enceladus, wyrzuca wodę w przestrzeń kosmiczną i wypełnia pole magnetyczne Saturna jonami.
Więcej informacji:
Źródło: NASA Jet Propulsion Laboratory
Opracował: Kamil Lachowicz
Na zdjęciu: Jowisz z zaznaczonymi zjawiskami zórz rentgenowskich na biegunach. Źródło: (X-ray) NASA/CXC/SwRI/R.Gladstone et al.; (Optical) NASA/ESA/Hubble Heritage (AURA/STScI)
