У крупнейших спутников Юпитера есть полярные сияния

Серия наблюдений за галилейскими спутниками показала, что все они демонстрируют явление полярных сияний.

Юпитер хорошо известен своими захватывающими полярными сияниями, во многом благодаря орбитальному аппарату Юнона и недавним снимкам, сделанным космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST). Как и на Земле, эти впечатляющие вспышки возникают в результате взаимодействия заряженных солнечных частиц с магнитным полем и атмосферой Юпитера. На протяжении многих лет астрономы также наблюдали, что самые большие спутники Юпитера имеют полярные сияния в своих атмосферах, особенно у так называемых галилеевых спутников. Они тоже являются результатом взаимодействия, в данном случае, между магнитным полем Юпитера и частицами, исходящими из атмосфер спутников.

Обнаружение этих слабых полярных сияний всегда было сложной задачей, потому что солнечный свет, отраженный от поверхности спутников, имеет тенденцию размывать световые сигнатуры. Группа под руководством Бостонского университета и Калифорнийского технологического института (при поддержке НАСА) недавно наблюдала галилеевские спутники, когда они проходили в тени Юпитера. Эти наблюдения показали, что Ио, Европа, Ганимед и Каллисто испытывают кислородное сияние в своих атмосферах. Кроме того, эти полярные сияния темно-красного цвета и почти в 15 раз ярче привычных зеленых узоров, которые мы наблюдаем на Земле.

Наблюдения группы объединили данные спектрометра высокого разрешения Echelle обсерватории Кека (HIRES) со спектрами высокого разрешения, полученными с Большого бинокулярного телескопа (LBT) и обсерватории Apache Point (APO). Эти наблюдения были приурочены к наблюдению за Ио, Европой, Ганимедом и Каллисто в тени Юпитера, чтобы избежать помех солнечного света, отраженного от их поверхностей.

Эти данные дали ценную информацию о составе атмосфер спутников, в состав которых входил газообразный кислород, как уже было предсказано, но наблюдения сложны, потому что спутники почти невидимы в тени Юпитера.

На всех четырех галилеевых спутниках наблюдались одинаковые кислородные полярные сияния, похожие на те, которые мы видим в земных полярных сияниях. В случае с Европой, Ганимедом и Каллисто содержание кислорода в их атмосферах обусловлено фотолизом — процессом, в ходе которого водяной лед сублимируется и под воздействием солнечной радиации распадается на водород и кислород. В случае Ио кислород обусловлен диоксидом серы (выделяемым многочисленными вулканами, усеивающими его поверхность), взаимодействующим с солнечным излучением с образованием монооксида серы и элементарного кислорода.

Но из-за их гораздо более тонких атмосфер этот кислород светится в глубоком красном и (для Европы и Ганимеда) инфракрасном диапазонах волн, причем последний не различим человеческим глазом. Из-за вулканической активности Ио в атмосфере также присутствуют соли, такие как хлорид натрия и хлорид калия, которые также разрушаются под воздействием солнечной радиации. Из-за этого полярные сияния на Ио излучают желто-оранжевое свечение (вызванное натрием) и свечение в инфракрасном диапазоне (вызванное калием).

Впервые астрономы наблюдали это инфракрасное свечение в атмосферах этих спутников. Кроме того, новые измерения также выявили минимальные свидетельства наличия водяного пара, который ранее считался компонентом атмосфер Европы, Ганимеда и Каллисто. Существует теория, что все три спутника имеют внутренние океаны под своими ледяными поверхностями, а также некоторые предварительные доказательства того, что водяной пар в атмосфере Европы может быть результатом активности шлейфа. Предполагается, что эти шлейфы связаны с внутренним океаном спутника или резервуарами жидкости в его ледяной оболочке.

Наблюдения также показали, как наклонное магнитное поле Юпитера вызывает изменение яркости полярных сияний по мере вращения газового гиганта. Наклон этого поля примерно на 10° от оси вращения Юпитера по сравнению с наклоном Земли на 11° означает, что спутники будут испытывать большее взаимодействие в определенные моменты времени на своих орбитах. Наконец, они также отметили, как быстро атмосфера реагировала на изменения температуры, вызванные переходом от воздействия солнечного света к проходу в пределах тени Юпитера.

Эти последние наблюдения добавили волнения в то, что уже является очень активной областью исследований. В ближайшие годы космические агентства отправят на Европу и Ганимед других роботов-исследователей: Europa Clipper НАСА и JUpiter ICy Moon Explorer (JUICE) ЕКА.