Магнитные вихри могут генерировать концентрацию углеводородной дымки размером с Землю на полюсах Юпитера

В то время как Большое красное пятно Юпитера остается неизменным атрибутом планеты на протяжении веков, астрономы Калифорнийского университета в Беркли обнаружили столь же крупные пятна на северном и южном полюсах планеты, которые появляются и исчезают, казалось бы, случайным образом.

Овалы размером с Землю, которые видны только в ультрафиолетовом диапазоне волн, находятся в слоях стратосферной дымки, закрывающей полюса планеты. Темные овалы, когда они видны, почти всегда расположены чуть ниже ярких авроральных зон на каждом полюсе, которые напоминают земные северное и южное сияния.

Пятна поглощают больше ультрафиолета, чем окружающее пространство, поэтому на снимках космического телескопа НАСА «Хаббл» они кажутся темными. На ежегодных снимках планеты, сделанных «Хабблом» в период с 2015 по 2022 год, темный ультрафиолетовый овал появляется на южном полюсе в 75 % случаев, в то время как на северном полюсе темные овалы появляются только на одном из восьми снимков.

Темные ультрафиолетовые овалы намекают на необычные процессы, происходящие в сильном магнитном поле Юпитера, которые распространяются вниз к полюсам и глубоко в атмосферу, гораздо глубже, чем магнитные процессы, вызывающие авроры на Земле.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и их коллеги сообщают об этих явлениях 26 ноября в журнале Nature Astronomy.

Темные ультрафиолетовые овалы были впервые обнаружены «Хабблом» в конце 1990-х годов на северном и южном полюсах, а затем на северном полюсе космическим аппаратом «Кассини», пролетавшим мимо Юпитера в 2000 году, но они не привлекли особого внимания.

Однако когда студент Калифорнийского университета в Беркли Трой Цубота провел систематическое исследование последних снимков, полученных «Хабблом», он обнаружил, что они часто встречаются на южном полюсе — за период с 1994 по 2022 год он насчитал восемь южных ультрафиолетовых темных овалов (SUDO).

На всех 25 глобальных картах «Хаббла», на которых изображен северный полюс Юпитера, Цубота и старший автор исследования Майкл Вонг, младший астроном-исследователь из Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли, обнаружили только два северных овала с ультрафиолетовой темнотой (NUDO).

Большинство снимков «Хаббла» были сделаны в рамках проекта Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL) под руководством Эми Саймон, ученого-планетолога из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда и соавтора статьи. Используя «Хаббл», астрономы OPAL проводят ежегодные наблюдения за Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном, чтобы понять динамику и эволюцию их атмосфер с течением времени.

«В первые два месяца мы поняли, что эти снимки OPAL — в некотором смысле золотая жила, и я очень быстро смог построить конвейер анализа и отправить все снимки, чтобы посмотреть, что мы получим», — говорит Цубота, который учится на последнем курсе Калифорнийского университета в Беркли по тройной специальности — физика, математика и информатика.

«Именно тогда мы поняли, что можем заняться хорошей наукой и реальным анализом данных и начать обсуждать с коллегами причины их появления».

Вонг и Цубота проконсультировались с двумя экспертами по планетарным атмосферам — Томом Сталлардом из Нортумбрийского университета в Ньюкасле-на-Тайне (Великобритания) и Си Чжаном из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, чтобы определить, что может вызывать эти области плотной дымки.

Сталлард предположил, что темный овал, вероятно, перемешивается сверху вихрем, созданным, когда линии магнитного поля планеты испытывают трение в двух очень удаленных местах: в ионосфере, где Сталлард и другие астрономы ранее обнаружили вращательное движение с помощью наземных телескопов, и в листе горячей, ионизированной плазмы вокруг планеты, проливаемой вулканической луной Ио.

Вихрь вращается быстрее всего в ионосфере, постепенно ослабевая по мере того, как он достигает каждого более глубокого слоя. Подобно торнадо, опускающемуся на пыльную землю, самые глубокие слои вихря перемешивают туманную атмосферу, создавая плотные пятна, которые наблюдали Вонг и Цубота. Неясно, вытягивает ли перемешивание дымку снизу или создает дополнительную дымку.

Основываясь на наблюдениях, команда подозревает, что овалы формируются в течение примерно месяца и рассеиваются за пару недель.

«Дымка в темных овалах в 50 раз гуще, чем типичная концентрация, — говорит Чжан, — что говорит о том, что она, скорее всего, образуется из-за динамики вихрей, а не из-за химических реакций, вызванных высокоэнергетическими частицами из верхних слоев атмосферы. Наши наблюдения показали, что время и местоположение этих энергичных частиц не коррелируют с появлением темных овалов».

Эти выводы — то, ради чего и затевался проект OPAL: как динамика атмосферы на планетах-гигантах Солнечной системы отличается от того, что мы знаем на Земле.

«Изучение связей между различными атмосферными слоями очень важно для всех планет, будь то экзопланета, Юпитер или Земля», — говорит Вонг.

«Мы видим свидетельства процесса, связывающего все во всей системе Юпитера — от внутреннего динамо, спутников и их плазменных торий до ионосферы и стратосферной дымки. Поиск таких примеров помогает нам понять планету в целом».