Необычные плазменные волны над северным полюсом Юпитера наконец получили объяснение

Сверху: Амплитуда колебаний электрического поля во время пролёта зонда Juno над северным полюсом Юпитера. Белая линия указывает на ионную циклотронную частоту, а чёрная — на электронную плазменную частоту. Снизу: рассчитанная плотность плазмы на основе измерений плазменной частоты. Автор: Creative Commons 4.0

Недавние наблюдения мощного магнитного поля Юпитера с помощью космического аппарата NASA Juno позволили обнаружить ранее неизвестный вид плазменных волн, которые, кажется, бросают вызов современным представлениям о планетных магнитосферах.

Новая статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предлагает убедительное объяснение этим загадочным явлениям и предполагает, что они формируют один класс плазменных волн, который затем трансформируется в совершенно другой тип.

Как и их аналоги в океане, плазменные волны представляют собой колебания, распространяющиеся через «море» заряженных частиц в магнитосфере планеты.

Традиционно они делятся на два типа: быстрые высокочастотные колебания отрицательно заряженных электронов, известные как волны Ленгмюра, и более медленные низкочастотные колебания относительно тяжёлых ионов (атомов, лишённых одного или нескольких электронов), называемые волнами Альфвена.

Электроны, создающие высокочастотные волны Ленгмюра, колеблются параллельно линиям магнитного поля Юпитера. Это планетарный аналог звуковых волн, исходящих от колеблющейся гитарной струны.

Однако ионы ведут себя иначе. Вместо того чтобы свободно перемещаться в «море» плазмы, положительно заряженные ионы остаются привязанными к мощным линиям магнитного поля Юпитера, вращаясь вокруг них с фиксированной частотой, известной как гирочастота. Эта частота устанавливает верхний предел для волн Альфвена.

Юпитер обладает сильным магнитным полем, которое захватывает и удерживает очень быстрые электроны. Эти электроны излучают радиоволны, создавая крупные структуры за пределами диска планеты, видимые на изображениях VLA. Электроны и магнитное поле вне атмосферы Юпитера формируют область, очень похожую на радиационный пояс Ван Аллена Земли. Автор: NRAO/AUI/NSF

Данные Juno, кажется, стирают границу между этими двумя явлениями. На высоких северных широтах Юпитера, где его магнитное поле слабее всего (всего в 40 раз сильнее земного), плазменные частоты оказались значительно ниже ионной гирочастоты, что противоречит обычным наблюдениям.

Чтобы объяснить эти аномалии, группа исследователей под руководством Роберта Лысака из Университета Миннесоты предложила механизм, при котором большое количество волн Альфвена может трансформироваться в волны Ленгмюра.

Изучая данные Juno, полученные по мере приближения аппарата к северным широтам Юпитера (и его последующего погружения в плотную атмосферу планеты), учёные сравнили взаимосвязь между частотой плазменных волн и волновым числом. Чем дальше на север двигался зонд, тем ниже становилась плотность магнитосферы, что также соответствовало уменьшению концентрации электронов.

Лысак и его команда предполагают, что в этих необычных условиях магнитосферы вблизи северного полюса Юпитера может существовать механизм преобразования большого количества волн Альфвена в волны Ленгмюра.

Это превращение, по их мнению, может быть вызвано ещё одним необычным явлением, которое Juno наблюдал в 2016 году: мощными потоками электронов, движущихся вверх с энергиями около 100 тысяч электронвольт.

Исследователи отмечают, что их результаты «… указывают на существование нового типа плазменных волн, возникающих в необычных условиях высокой напряжённости магнитного поля и низкой плотности плазмы на высоких широтах и малых высотах в магнитосфере Юпитера».

Дополнительная информация: R. L. Lysak et al, New Plasma Regime in Jupiter's Auroral Zones, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/fn63-qmb7