Наблюдения, проведенные космическим аппаратом NASA «Юнона», показали, что магнитное поле Юпитера и его мощная магнитосфера, заполненная ионизированным газом, могут порождать вблизи полюсов газового гиганта новый тип плазменных волн. Ничего подобного ранее ученые не фиксировали.
Юпитер — самая большая планета Солнечной системы. Магнитное поле газового гиганта в разы мощнее земного. Это поле захватывает огромные количества заряженных частиц, формируя радиационные пояса чудовищной силы, в тысячи раз более интенсивные, чем земные пояса Ван Аллена. У Юпитера наблюдаются постоянные полярные сияния. Визуально (в видимом свете) они гораздо слабее, при наблюдении с Земли их практически не видно. Основная «яркость» приходится на ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны длин волн, к которым человеческий глаз нечувствителен.
Вокруг Юпитера простирается обширная среда ионизованного газа — плазма. Она представляет собой особое, четвертое состояние вещества, похожее на газ, но состоящее не из нейтральных атомов, а из свободных электронов и ионов (атомов, потерявших или получивших электрический заряд). Поведение этой плазмы, особенно вблизи полюсов, где магнитные линии сходятся и устремляются вглубь планеты, всегда оставалось загадкой. Понимание того, как движется плазма, ключевое для расшифровки природы юпитерианских сияний и его космической «погоды».
Частицы в плазме (свободные электроны и ионы) способны «колебаться» и порождать разнообразные волновые возмущения. До сих пор ученые знали о двух основных типах волн в плазме: волнах Альфвена и волнах Ленгмюра. Первые связаны с колебаниями ионов в магнитном поле, вторые — с движением гораздо более легких электронов. Из-за огромной разницы в массе ионов и электронов эти волны обычно колеблются на совершенно разных частотах и не смешиваются.
С 2016 года вокруг Юпитера вращается зонд «Юнона». Он собирает данные о магнитных и плазменных свойствах газового гиганта. Именно наблюдения аппарата помогли ученым обнаружить странную плазменную волну, ранее не встречавшуюся ни на Юпитере, ни в других частях Солнечной системы.
Команда американских астрофизиков под руководством Роберта Лысака (Robert Lysak) из Миннесотского университета проанализировала данные «Юноны» и обнаружила, что плазма рядом с полюсами Юпитера ведет себя необычно. В ней колеблется новая волна — гибрид сразу двух известных типов плазменных волн (Альфвена и Ленгмюра). Результаты исследования представлены в журнале Physical Review Letters.
Ключ к возникновению этого гибрида кроется в исключительных условиях у полюсов Юпитера. Плазма у полюсов газового гиганта обладает чрезвычайно низкой плотностью, а мощнейшее магнитное поле планеты удерживает ее в специфическом состоянии. Именно эта комбинация — сверхразреженная плазма под действием колоссального магнитного «пресса» — позволяет обычно несовместимым волнам Альфвена и Ленгмюра синхронизировать свои колебания и слиться в один новый, уникальный тип волны. Масса ионов и малая масса электронов больше не служат непреодолимым барьером; в этих экстремальных условиях они начинают «вибрировать» согласованно.
До сих пор ничего подобного астрофизики не фиксировали в Солнечной системе. По их мнению, это особые параметры плазмы. Зная сигнатуру таких гибридных волн, ученые могут искать аналогичные явления в данных далеких экзопланет. Это даст новый инструмент для изучения их магнитных полей и плазменных сред, что критически важно для понимания их природы и потенциальной обитаемости.
Сегодня «Юнона» продолжает работу на орбите Юпитера. Однако в ближайшее время миссию могут свернуть из-за бюджетных сокращений. В мае администрация президента США Дональда Трампа предложила прекратить несколько научных программ NASA, включая «Юнону».