У Юпитера есть дополнительный источник полярных сияний: сильное магнитное поле газового гиганта притягивает заряженные частицы из окружающей среды. Это включает в себя не только заряженные частицы солнечного ветра, но и частицы, выбрасываемые в космос его спутником Ио, известным своими многочисленными и крупными вулканами. Вулканы Ио выбрасывают частицы, которые преодолевают гравитацию Луны и вращаются вокруг Юпитера. Поток заряженных частиц, высвобождаемых Солнцем, также достигает планеты. Большое и мощное магнитное поле Юпитера захватывает все заряженные частицы и разгоняет их до огромных скоростей. Эти быстрые частицы врезаются в атмосферу планеты с высокой энергией, что возбуждает газ и заставляет его светиться.

Теперь уникальные возможности телескопа JWST позволяют по-новому взглянуть на полярные сияния на Юпитере. Чувствительность телескопа позволяет астрономам фиксировать быстро меняющиеся полярные сияния. Новые данные были получены с помощью камеры Webb's NIRCam (ближняя инфракрасная камера) 25 декабря 2023 года группой ученых под руководством Джонатана Николса из Лестерского университета в Соединенном Королевстве. “Это был настоящий рождественский подарок – он просто поразил меня!” - поделился Николс. “Мы хотели посмотреть, как быстро меняются полярные сияния, ожидая, что они будут постепенно исчезать, возможно, в течение четверти часа или около того. Вместо этого мы наблюдали, как вся область полярного сияния шипела и вспыхивала светом, иногда меняющимся с каждой секундой”.

В частности, команда исследовала излучение катиона тригидрата (H3+), которое может возникать при полярных сияниях. Они обнаружили, что это излучение гораздо более изменчиво, чем считалось ранее. Наблюдения помогут ученым лучше понять, как нагреваются и охлаждаются верхние слои атмосферы Юпитера/

“Что сделало эти наблюдения еще более особенными, так это то, что мы также одновременно делали снимки в ультрафиолетовом диапазоне с помощью космического телескопа НАСА ”Хаббл", - добавил Николс. “Как ни странно, самый яркий свет, наблюдаемый "Уэббом", не имел реального аналога на снимках "Хаббла". Это заставило нас задуматься. Чтобы вызвать такое сочетание яркости, которое наблюдали и "Уэбб", и "Хаббл", нам нужно сочетание большого количества частиц с очень низкой энергией, попадающих в атмосферу, что ранее считалось невозможным. Мы до сих пор не понимаем, как это происходит”.

Теперь команда планирует изучить это расхождение между данными Хаббла и Уэбба и изучить более широкие последствия для атмосферы Юпитера и космической среды. Они также намерены дополнить это исследование дополнительными наблюдениями Уэбба, которые они смогут сравнить с данными космического аппарата НАСА "Юнона", чтобы лучше изучить причину загадочного яркого излучения.

Космический телескоп Джеймса Уэбба - крупнейшая в мире научная обсерватория в области космонавтики. "Уэбб" разгадывает тайны нашей Солнечной системы, заглядывает в далекие миры, вращающиеся вокруг других звезд, и исследует таинственные структуры и происхождение нашей Вселенной, а также наше место в ней. Webb - это международная программа, возглавляемая НАСА совместно со своими партнерами, ESA (Европейским космическим агентством) и CSA (Канадским космическим агентством).

Понимание ранней эволюции Юпитера помогает прояснить более широкую историю формирования нашей солнечной системы и её уникальной структуры. Гравитация Юпитера, часто называемая "архитектором" нашей солнечной системы, сыграла ключевую роль в формировании орбитальных путей других планет и в формировании диска газа и пыли, из которого они возникли.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy, Константин Батыгин, профессор планетарной науки в Калтехе, и Фред С. Адамс, профессор физики и астрономии в Университете Мичигана, предлагают детальный анализ первозданного состояния Юпитера.

Их расчёты показывают, что примерно через 3,8 миллиона лет после формирования первых твёрдых тел в солнечной системе — ключевого момента, когда диск материала вокруг Солнца, известный как протопланетная туманность, начал рассеиваться — Юпитер был значительно больше и обладал ещё более мощным магнитным полем.

"Наша конечная цель — понять, откуда мы пришли, и уточнение ранних этапов формирования планет является необходимым для решения этой головоломки," — говорит Батыгин. "Это приближает нас к пониманию того, как сформировался не только Юпитер, но и вся солнечная система."

Батыгин и Адамс подошли к этому вопросу, изучив крошечные спутники Юпитера — Амальтею и Фебу, которые вращаются ближе к Юпитеру, чем Ио, самый маленький и ближайший из четырёх крупных галилеевых спутников планеты.

Поскольку орбиты Амальтеи и Фебы слегка наклонены, Батыгин и Адамс проанализировали эти небольшие орбитальные отклонения, чтобы вычислить первоначальный размер Юпитера: примерно в два раза превышающий его нынешний радиус, с предсказанным объёмом, эквивалентным более чем 2000 Земель. Исследователи также установили, что магнитное поле Юпитера в то время было примерно в 50 раз сильнее, чем сегодня.

Адамс подчеркивает удивительный след, который прошлое оставило на сегодняшней солнечной системе: "Удивительно, что даже спустя 4,5 миллиарда лет достаточно улик осталось, чтобы мы могли восстановить физическое состояние Юпитера на заре его существования."

Важно отметить, что эти выводы были достигнуты благодаря независимым ограничениям, которые обходят традиционные неопределенности в моделях формирования планет, часто основанных на предположениях о газовой непрозрачности, скорости аккреции или массе ядра тяжёлых элементов. Вместо этого команда сосредоточилась на орбитальной динамике спутников Юпитера и сохранении углового момента планеты — величинах, которые можно непосредственно измерить.

Их анализ устанавливает чёткую картину Юпитера в момент, когда окружающая солнечная туманность испарилась, что стало ключевым переходным моментом, когда строительные материалы для формирования планет исчезли, и первозданная архитектура солнечной системы была зафиксирована.

Результаты добавляют важные детали к существующим теориям формирования планет, которые предполагают, что Юпитер и другие гигантские планеты вокруг других звёзд образовались через аккрецию ядра — процесс, при котором каменное и ледяное ядро быстро собирает газ.

Эти базовые модели разрабатывались на протяжении десятилетий многими исследователями, включая Дэйва Стивенсона из Калтеха, профессора планетарной науки, эмеритуса. Это новое исследование строится на этой основе, предоставляя более точные измерения размера, скорости вращения и магнитных условий Юпитера в ранний, ключевой момент времени.

Батыгин подчеркивает, что хотя первые моменты Юпитера остаются окутанными неопределённостью, текущее исследование значительно проясняет наше представление о критических стадиях развития планеты. "То, что мы здесь установили, является ценным ориентиром," — говорит он. "Точкой, от которой мы можем с большей уверенностью восстановить эволюцию нашей солнечной системы."