Земля и Вселенная. Часть 15. Рентгеновское излучение Юпитера и Сатурна

Часть 14. http://artefact-2007.blogspot.com/2012/04/14.html

    Федор Дергачев

    Пульсирующий рентгеновский маяк Юпитера

    «Астрономы с помощью рентгеновской обсерватории «Chandra» определили таинственный пульсирующий рентгеновский маяк около северного полюса гигантской планеты.

    Каждые 45 минут гигаваттные импульсы рентгеновского излучения бегут через солнечную систему, в том числе и в сторону Земли. Астрономы приучены к таким вещам. Отдаленные пульсары и черные дыры часто купают галактику во взрывах радиации. Но на сей раз источник - не экзотический и далекий. Он находится прямо здесь, в нашей собственной Солнечной системе. «Импульсы приходят с северного полюса Юпитера», говорит Рэнди Гладстоун (Gladstone), ученый Юго-западного Научно-исследовательского института и лидер команды, которая сделала открытие, используя орбитальную рентгеновскую обсерваторию НАСА «Chandra». Астрономы сообщают об обнаружении около Северного полюса Юпитера своеобразной «горячей точки», периодически испускающей потоки рентгеновских лучей. Эти лучи, скорее всего, создаются ионами, попадающими в атмосферу планеты, но расположение «горячей точки» заставляет ученых недоумевать, откуда эти ионы берутся. Астрономы обнаружили в верхних слоях атмосферы Юпитера над приполярными областями пульсирующие горячие пятна. Их существование и поведение не может объяснить ни одна из существующих теорий. 
    Судя по характеристикам этого свечения, источник ионов, которые испускают рентгеновское излучение в этих пятнах, должен находиться намного дальше от Юпитера, чем это предполагалось ранее [или наоборот, в атмосфере Юпитера – прим. Nikkro]. Космический рентгеновский телескоп «Chandra» наблюдал Юпитер в течение 10 часов 18 декабря 2000 года, когда зонд «Cassini» огибал эту планету на своем пути к Сатурну. Наблюдения показали, что большая часть рентгеновского полярного сияния Юпитера исходит из пульсирующего горячего пятна, которое располагается в фиксированном месте вблизи от северного магнитного полюса этой планеты. Раньше в районе пятен наблюдалось яркое инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Видели там и рентгеновское излучение. На протяжении двух десятилетий наблюдения с помощью спутников показывали, что где-то в районе полюсов на Юпитере происходит излучение рентгеновских лучей. Исследователи считают, что рентгеновские лучи возникают тогда, когда ионы кислорода и серы попадают в атмосферу планеты* (см. примечание в конце статьи). До настоящего времени они полагали, что эти ионы попадают в атмосферу из магнитосферы Юпитера - области, где магнитное поле планеты достаточно сильно для того, чтобы рассеивать солнечный ветер. Считалось, что ионы возникают во внутренней и средней части магнитосферы, которая простирается примерно до 2 миллионов километров от поверхности Юпитера. 

    Но этой теории был нанесен серьезный удар, когда ученые, изучавшие Юпитер с помощью рентгеновской обсерватории «Chandra», обнаружили, что большая часть рентгеновских лучей исходит из одной пульсирующей точки неподалеку от Северного полюса планеты. Если бы теория была верна, то рентгеновские лучи должны были исходить из кольца вокруг каждого полюса, потому что ионы должны были бы вращаться вдоль линий магнитного поля Юпитера, которые проходят на расстоянии 2 миллионов километров от поверхности планеты на широтах, достаточно удаленных от полюсов. Однако телескоп «Chandra» точно определил положение пятен и выяснилось, что вышеупомянутая теория не работает, так как ионы, вылетев из Ио, не могут достичь высоких широт Юпитера, а именно там и наблюдается рентгеновское излучение. Согласно расчетам, получается, что источник ионов находится на расстоянии как минимум 30 радиусов Юпитера ( ~ 2 млн км, т.к. экваториальный радиус Юпитера равен 71942 км, полярный радиус Юпитера равен 66854 км), но там, как показывают измерения, проведенные аппаратурой зонда «Cassini», нет достаточного количества ионов кислорода и серы. Возможно, магнитное поле Юпитера захватывает ионы из солнечного ветра, ускоряет их и направляет к магнитному полюсу. Причем эти ионы могут двигаться в магнитном поле Юпитера от одного полюса к другому, и этим могут объясняться пульсации рентгеновских пятен.

    «Эти наблюдения заставили астрономов недоумевать по поводу источника потока частиц», - говорит Том Хилл, физик из Rice University. – «Если он приходит издалека, то это не могут быть ионы из магнитосферы, потому что там просто нет такого количества ионов». По мнению Хилла, эти частицы могут быть принесены солнечным ветром.

    По сведениям Алекса Десслера, физика из университета Аризоны, та же область планеты излучает необычные радиосигналы, вспышки ультрафиолетового света, а также инфракрасное излучение высокой интенсивности, и коррелирует с зоной магнитосферы Юпитера, которая выбрасывает вовне высокоэнергетические электроны. По мнению Десслера, все это может указывать на единую малоизученную связь между самыми дальними областями магнитосферы и особенностями магнитного поля у поверхности Юпитера.

http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0001/0001_xray_opt_uv_zoom.jpg 

    Фото выше: Каждые 45 минут источник рентгена мигает около северного магнитного полюса Юпитера. Это сложное изображение Юпитера, его сияющего кольца авроры (синее), и полярный (розовый) импульс рентгеновского излучения. Гладстоун обращает внимание: «рентгеновские лучи, которые мы обнаружили, были «мягкие» - менее энергичны чем 1 кэВ, и с меньшей проникающей способностью, чем самый умеренный из медицинских рентгенов». Это не предполагает никакой опасности для астронавтов или землян. Эта мультипликация , основанная на данных от орбитальной обсерватории «Chandra», показывает горячую точку, пульсирующую 15 раз в течение одного полного 10-часового вращения гигантской планеты.  Итак, оказалось, что источник излучения пульсирует. Высокоэнергетический «горячий источник» испускает импульс рентгеновского излучения каждые 45 минут. Периодичность процесса объяснить очень сложно.  Поток ионов, попадающих на планету от удаленного источника, должен обладать широким спектром энергии. Сложно представить, каким образом подобный поток может служить источником пульсирующего излучения. Первостепенной задачей ученых на данный момент является получение детального спектрального анализа излучения, чтобы определить содержание серы, углерода и азота. Сера является отличительной чертой внутренних процессов, в то время как присутствие двух последних компонентов будет указывать на солнечные ионы. «45-минутные пульсации очень таинственны», - говорит Рон Елснер, астроном в Центре космических полетов НАСА, который работал с Гладстоуном. Они не имеют совершенно постоянный период, который мог бы быть у сигнала от внеземной цивилизации; период дрейфует назад и вперед на несколько процентов. «Это - естественный процесс» [? – Ф.Д.], - добавляет он, - «мы только не знаем, что это...»

    Первым обнаружил рентгеновское свечение Юпитера спутник  НАСА «Einstein» в 1979г. Никто не смотрел снова на Юпитер в рентгеновском диапазоне много лет, пока исследователи (Гладстоун был среди них) не направили немецкую рентгеновскую обсерваторию «ROSAT» к Юпитеру в 1992 году. Свечение там все еще сохранялось. Ученые задались вопросом ..., что же это было?

    Рентген приходит главным образом от северного полушария Юпитера, но карты «Einstein» и «ROSAT» не были достаточно подробные, чтобы показать точно, откуда именно. Некоторые исследователи полагали, что они видели эмиссию рентгеновского излучения из мощной авроры Юпитера.

    Действительно, говорит Гладстоун, Юпитер имеет «Северное сияние» также, как и Земля - только в различном масштабе. Аврора Юпитера – от сотен до тысяч раз более мощная, чем на нашей планете. Кроме того, пылающие кольца вокруг магнитных полюсов Юитера – вдвое больше диаметра Земли!

    В то время как исследователи использовали «Chandra», чтобы наблюдать Юпитер, два космических корабля НАСА – «Cassini» и «Galileo» - были около гигантской планеты. «Galileo» был глубоко внутри в магнитном поле Юпитера, в то время как «Cassini» был вне его при осуществлении выборки солнечного ветра. Ни один корабль не обнаружил 45-минутные изменения в окружающей их среде, типа плазменных волн или волн энергичных частиц, «хотя такие изменения были обнаружены «Galileo» в другие времена», - обращает внимание Гладстоун. «Galileo» также принял вспышки радиоволн частотой от 1 до 200 кГц, которые принимались с 45-минутным периодом, также, как и космический корабль «Улисс», когда он пролетел возле Юпитера в 1992 году. Другие наблюдения также дали очень интересные результаты.

    Космическая рентгеновская обсерватория «Chandra» («Чандра»)

    Для подготовки сближения «Новых Горизонтов» с Юпитером «Chandra» произвела несколько 5-ти часовых экспозиций гигантской планеты 8, 10 и 24 февраля. После этого данные были скомбинированы с изображениями, полученными космическим телескопом Хаббла.

    Цель «Чандры» - изучить мощное рентгеновское излучение от полярных сияний на Юпитере. Есть предположения, что они вызваны взаимодействием ионов серы и кислорода на внешних участках магнитного поля гиганта с солнечным ветром. Поэтому ученые хотят более серьезно выяснить детали этих процессов, в результате которых появляются сияния в тысячу раз сильнее, чем на Земле.

Crown of Jupiter. X-ray: NASA/CXC/MSFC/R.Elsner et al.; Illustration: CXC/M.Weiss      http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/objects/heapow/archive/solar_system/jupiter_aurora.html

http://chandra.harvard.edu/photo/2005/jupiter/jupiter_xray_ill.jpg

    На этом снимке «Чандры» видно рентгеновское свечение от высокоэнергетических ионов, врезающихся в атмосферу Юпитера в полярных районах.

    Заряженные частицы – это, в первую очередь, ионы кислорода и некоторых других элементов, потерявшие большинство своих электронов и разогнанные до высоких энергий в несколько миллионов вольт над полюсами гиганта. Такая мощная энергетика говорит о том, что сияния на Юпитере сильно отличаются от сияний, которые наблюдаются на Земле или на Сатурне.

    Вторая иллюстрация демонстрирует возможный процесс, вызывающий такую активность сияний. Быстро вращающееся мощное магнитное поле Юпитера генерирует сильные электрические поля вокруг планеты. Частицы (белые точки) вулканического происхождения от Ио, дрейфуют в нем во внешние слои магнитного поля, создавая огромный запас ионов и электронов. Далее под воздействием того же магнитного поля частички разгоняются до огромных энергий (желтые точки) и попадают в полярные области гиганта. Таким образом, поддерживается постоянная светимость сияний.

    Для выработки таких свечений требуется напряжение около 10 млн. В и ток силой почти в 10 млн. А, что в тысячи раз превосходит силу большинства земных.

    На Земле сияния происходят за счет попадания в магнитную ловушку частиц солнечного ветра. Как показывают исследования, на Юпитере также действует влияние солнечного ветра на полярные сияния.

http://www.thelivingmoon.com/43ancients/04images/Jupiter/Jupiter_Xray_Auroras_a.jpg 

    Этот снимок демонстрирует концентрацию рентгеновского излучения около северного и южного магнитного полюсов Юпитера. Пока «Чандра» наблюдала за 10 часовым вращением планеты, в северном сиянии были обнаружены рентгеновские пульсации с частотой в 45 минут, похожие на радиоимпульсы, замеченные еще «Галилео» и «Кассини».

    Хотя ранее и было уже обнаружено рентгеновское излучение от Юпитера, никто даже не догадывался, что оно исходит практически от полюсов. Рентгеновские лучи здесь, скорее всего, появляются из-за ударов высокоэнергетических ионов серы и кислорода, захваченных в магнитное поле Юпитера и врезающихся в атмосферу гиганта. До исследований «Чандры» считалось, что ионы в основном приходят из мест, близких к орбите Ио.

    Способности «Чандры» внесли довольно большие изменения в эту точку зрения. Ионы, приходящие из мест на орбите Ио не могут достигнуть исследованных полярных широт. Ионы, способные производить такое излучение приходят из мест, расположенных намного дальше, чем считалось ранее.

    Одним из объяснений может послужить то, что частички поступают от Солнца, захватываются внешними слоями магнитосферы, ускоряются и направляются к магнитным полюсам. Однажды попавшись, ионы отскакивают и колеблются в магнитном поле от южного к северному полюсу в осцилляционном движении, вызывая пульсации, о которых было упомянуто ранее. Однако год назад измерения космического корабля «Кассини» не обнаружили никакой связи между рентгеновским излучением Юпитера и потоком ионов от Солнца. Если излучение все же связано с солнечными ионами, то в любом случае должны существовать какие-то процессы уже в магнитосфере планеты, ускоряющие этот поток.

    Космический телескоп имени Хаббла

    Космический телескоп Хаббла проводил мониторинг вулканической активности Ио, для поддержки научной программы по сближению с Юпитером «Новых Горизонтов».  Комбинированное изображение из ультрафиолетового и видимого спектров Юпитера (слева) было получено в результате наблюдений с 17 по   21 февраля 2007 года.

    На ультрафиолетовых вкладках видны полярные сияния на Юпитере, которые там присутствуют постоянно. Они в десятки раз ярче, чем те, которые мы наблюдаем в полярных областях Земли. Они вызваны попаданием высокоэнергетических частиц в магнитное поле, которые, сходясь по магнитным линиям, ионизируют газ в верхних слоях атмосферы.

http://www.techrepublic.com/photos/photos-stellar-views-from-the-hubble-at-17/63670?seq=3 

    Экваториальная часть гиганта сфотографирована в синем спектре 17 февраля 2007 года, через который можно различить облачные структуры. В ультрафиолетовом спектре они не были бы различимы, так как он отражается от верхней дымки, и поэтому картинка казалась бы более туманной.

    Телескоп Хаббла, также как и многие другие инструменты и обсерватории продолжит фотографирование Юпитера и Ио в течение нескольких недель, после сближения «Новых Горизонтов» 28 февраля 2007 года. Это поможет ученым и исследователям составить более детальную картину происходящих здесь процессов и их взаимодействия.

    Еще один снимок (правый) был сделан 17 февраля 2007 года с помощью широкоугольной планетной камеры 2 на борту космического телескопа Хаббла, с использованием детектора планет. Хорошо различаются пояса и зоны высокого и низкого давления. Циркулярные конвективные образования также хорошо видны в южном и северном полушарии. Разрешение снимка составляет около 400 км на элемент.

    *Примечание:

    Рентгеновским излучением (РИ) называется электромагнитное излучение с длиной волны  

( частотой) в диапазоне    λ = 10-9…10-12 м , или 10…0,01 А° (f  = 3×1017…3×1020 Гц). Энергия квантов РИ лежит в диапазоне Ек = 1кэВ…1МэВ. Источниками РИ могут быть:

    1. Естественные и искусственные радиоактивные элементы, распадающиеся путем K и L захвата электронов.

    2. Тепловое излучение нагретой до температур ~ 107… 108 K плазмы (газ, нагретый до температуры ~ 108 К, имеет максимум излучения в диапазоне  1 А° и энергию квантов около 10 кэВ), некоторых звезд и звездных скоплений. Например, светимость Солнца в рентгеновском диапазоне составляет 1019…1020 Дж/с, а общий поток РИ от Солнца на границе земной поверхности равен 10-8 Дж/см2.

    3. Тормозное излучение при остановке или торможении быстро летящих заряженных частиц (электронов, протонов, ионов). При соударении таких частиц с атомами вещества возникает два типа излучения:

    - собственно тормозное;

    - характеристическое.

    Излучение, возникающее в результате торможения заряженных частиц большой энергии на поверхности или в объеме вещества, называется тормозным рентгеновским излучением. Это излучение не зависит от вида вещества и характеризуется сплошным спектром, ограниченным со стороны коротких волн максимальной кинетической энергией частиц.

    Если энергии налетающей на атом вещества заряженной частицы достаточно для того, чтобы выбить атомные электроны, то возникает рентгеновское излучение, которое называется характеристическим. Это излучение имеет линейчатый спектр, который зависит от вида химического элемента. Каждый элемент имеет только ему присущий спектр, который не зависит от того, находится элемент в свободном состоянии или входит в состав химического соединения.

    При облучении атомов химических элементов электронами возникает характеристическое излучение, которое накладывается на сплошной спектр тормозного излучения. При облучении атомов элементов α-частицами или протонами возбуждается только характеристическое излучение (без сплошного спектра)». (Перевод Nikkro). http://artefact.mylivepage.ru/file/481/4855

    Большое рентгеновское пятно на Юпитере

    «Пояснение: Самая большая планета солнечной системы, газовый гигант Юпитер, знаменит своим похожим на водоворот Большим Красным Пятном. Справа показано оптическое изображение знакомой всем гигантской планеты с циклоническими системами и полосами облаков, полученное пролетавшим около нее космическим аппаратом Кассини. Слева показано в искусственных цветах соответствующее изображение Юпитера в рентгеновских лучах, полученное орбитальной обсерваторией Чандра. На изображении, полученном Чандрой, впервые были обнаружены рентгеновские пятна и авроральное рентгеновское излучение от полюсов. Рентгеновское пятно, доминирующее в излучении от северного полюса Юпитера (вверху) возможно, так же удивительно для современных астрономов, как когда-то было Большое Красное Пятно. Противореча ранее предложенным теориям, рентгеновское пятно находится слишком далеко на севере, чтобы быть связанным с тяжелыми заряженными частицами из окрестностей вулканического спутника Ио. Данные Обсерватории Чандра также показывают, что рентгеновское излучение пятна таинственным образом пульсирует с периодом около 45 минут». (1 марта 2002 года. Авторы: X-ray Image: R.Gladstone (SwRI), et al., Optical Image: Cassini Imaging Team, NASA). http://www.astronet.ru/db/msg/1174986 

    Для сравнения – материалы о рентгеновском излучении Сатурна.

    Сатурн удивляет нестандартной активностью рентгеновского излучения

    «Первое ясное свидетельство рентгеновского излучения от Сатурна было сделано с рентгеновского телескопа Обсерватории Чандра, НАСА. Наблюдения показывают, что рентгеновские источники излучения сконцентрированы вблизи экватора Сатурна и на северном полюсе планеты, где сейчас полярная ночь. Это удивительный результат, так как эмиссия рентгеновских лучей с Юпитера главным образом сконцентрирована около полюсов. Существующие теории не могут легко объяснить интенсивность или распределение рентгеновского излучения Сатурна.

    «Чандра» наблюдала Сатурн в течение приблизительно 20 часов в апреле 2003 года. Распределение рентгеновского излучения на этой планете оказалось очень подобно рентгеновскому излучению от Солнца.

Эмиссия рентгеновского излучения Сатурна происходит из-за отражения солнечной радиации атмосферой Сатурна. Это на самом деле является большой загадкой, так как Сатурн должен отражать рентгеновское излучение всего в пятьдесят раз более эффективно, чем Луна, хотя исходит от него гораздо больше.

    Наблюдаемые 90 мегаВатт энергии рентгеновского излучения от экваториальной области Сатурна плохо совместимы с предыдущими наблюдениями X-лучей от экваториальной области Юпитера. Это говорит о том, что обе планеты-гиганта отражают солнечное излучение с неожиданно высокой эффективностью или сами являются его источниками.

    Слабое рентгеновское излучение от южной области Сатурна ставит другую загадку (северный полюс был закрыт кольцами Сатурна в период этого наблюдения). Магнитное поле Сатурна, подобно Юпитеру, является наиболее сильным на полюсах. X-лучи от Юпитера наиболее интенсивны на полюсах из-за повышенного взаимодействия частиц высоких энергий от Солнца с его магнитным полем.

    По логическим причинам ученые ожидали увидеть интенсивное рентгеновское излучение на южном полюсе Сатурна. Но по непонятным причинам основной поток радиации пошел с северного полюса планеты и с экватора. Другой интересный результат наблюдения состоит в том, что кольца Сатурна не светились в рентгеновских лучах. Это означает, что кольца Сатурна менее эффективны в рассеивании рентгеновских лучей, чем непосредственно сама планета». (17 марта 2004 года). http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7239.html

    Рентгеновское излучение Сатурна оказалось довольно необычным

The orbiting Chandra X-ray Observatory observed Saturn for 20 hours in April 2003 to produce this false colour image.
Image credit: NASA/CXC/SAO http://www.astronomynow.com/news/040308_saturn_xrays.shtm

    «В апреле прошлого года космический рентгеновский телескоп «Chandra» в течение почти 20 часов вел наблюдения за Сатурном. Результат этих наблюдений сильно озадачил ученых. Они ожидали увидеть картину, подобную той, что им раньше приходилось видеть на Юпитере, ведь и Юпитер и Сатурн принадлежат к одному классу планет - газовым гигантам. У Юпитера рентгеновское излучение концентрируется в окрестностях полюсов, а у Сатурна - в районе экватора. На представленном здесь снимке белыми линиями показаны экватор, контуры Сатурна и его колец.

    Кроме того, выяснилось, что спектр рентгеновского излучения Сатурна оказался похож на рентгеновское излучение Солнца. А это указывает на то, что рентгеновское излучение Сатурна определяется рассеянием солнечного рентгеновского излучения в атмосфере этой планеты.

    Вообще-то, у Сатурна существует довольно сильное магнитное поле, и его интенсивность должна быть максимальной в окрестности полюсов. Во время наблюдения излучение северной приполярной области блокировалось кольцами Сатурна, а южный полюс очень слабо излучал рентген, хотя по аналогии с Юпитером здесь следовало ожидать максимально интенсивного рентгеновского излучения, так как именно в районе полюсов должно происходить усиленное взаимодействие высокоэнергетических частиц солнечного ветра с магнитным полем Сатурна. А такое взаимодействие обычно происходит с испусканием рентгеновского излучения. На Сатурне же наблюдается только сильное ультрафиолетовое излучение полярных сияний. Ученые, правда, не исключают возможность, что рентгеновское излучение по каким-то причинам концентрируется в окрестностях только северного полюса, который не был виден во время данных наблюдений.

    Интересно также и то, что кольца Сатурна никак не проявились в рентгеновском диапазоне длин волн. Получается, что эти кольца гораздо слабее рассеивают рентгеновское излучение, чем сама планета.

В общем, загадок немало». (Текст Е. Волынкина  по материалам «SpaceFlight Now». 10 марта 2004 года). http://news.cosmoport.com/2004/03/10/2.htm

    Федор Дергачев «Земля и Вселенная». Часть 16. «Сатурн: странные радиоимпульсы». http://artefact-2007.blogspot.com/2012/04/16.html