Благодаря телескопу James Webb на Ганимеде обнаружена перекись водорода

Благодаря чувствительным инфракрасным камерам и спектрометру высокого разрешения космический телескоп James Webb раскрывает новые тайны галилеевых спутников Юпитера, в частности Ганимеда, самой большой луны, и Ио, наиболее вулканически активной.

В двух отдельных публикациях астрономы, участвующие в научной программе JWST Early Release Science, сообщают о первом обнаружении перекиси водорода на Ганимеде и сернистых паров на Ио, которые являются результатом доминирующего влияния Юпитера.

Это показывает, что с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба мы можем проводить невероятные научные исследования объектов Солнечной системы, даже если объект действительно очень яркий, как Юпитер, но также если вы смотрите на очень слабые объекты рядом с Юпитером, — сказала Имке-де Патер, заслуженный профессор астрономии и науки о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли. Де Патер и Тьерри Фуше из Парижской обсерватории являются соруководителями группы наблюдения за Солнечной системой Early Release Science — одной из 13 групп, получивших ранний доступ к телескопу.

Саманта Трамбо, постдокторант 51 Pegasi b из Корнельского университета, руководила исследованием Ганимеда, результаты которого были опубликованы 21 июля в журнале Science Advances. Используя измерения, полученные спектрометром ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) на JWST, команда обнаружила поглощение света перекисью водорода — H2O2 — в районе северного и южного полюсов Луны, что является результатом воздействия заряженных частиц вокруг Юпитера и Ганимеда на лед, покрывающий Луну.

Обнаружение JWST присутствия перекиси водорода на полюсах Ганимеда впервые показывает, что заряженные частицы, вовлеченные в магнитное поле Ганимеда, преимущественно изменяют химический состав поверхности его полярных шапок, — говорит Трамбо.

Астрономы утверждают, что перекись образуется в результате попадания заряженных частиц в замерзший водяной лед вокруг полюсов и разрушения молекул воды на фрагменты — этот процесс называется радиолизом, — которые затем рекомбинируют с образованием H2O2. Они предположили, что радиолиз на Ганимеде будет происходить в основном в районе полюсов, поскольку, в отличие от всех других лун нашей Солнечной системы, он обладает магнитным полем, которое направляет заряженные частицы к полюсам.

Подобно тому, как магнитное поле Земли направляет заряженные частицы от Солнца в самые высокие широты, вызывая аврору, магнитное поле Ганимеда делает то же самое с заряженными частицами из магнитосферы Юпитера, — добавила она.

Эти частицы не только вызывают авроры на Ганимеде, но и воздействуют на его ледяную поверхность.

Трамбо и Майкл Браун, профессор планетарной астрономии из Калифорнийского технологического института, где Трамбо недавно получила степень доктора философии, ранее изучали перекись водорода на Европе, еще одном из четырех галилеевых спутников Юпитера. Однако на Европе перекись водорода была обнаружена на большей части поверхности, возможно, отчасти из-за отсутствия магнитного поля, защищающего поверхность от быстро движущихся частиц, проносящихся вокруг Юпитера.

Вероятно, это действительно важный и широко распространенный процесс, — сообщает Трамбо.

Наблюдения за Ганимедом дают возможность понять, как такой радиолиз воды может стимулировать химические процессы на ледяных телах во внешней части Солнечной системы, в том числе на соседних Европе и Каллисто (четвертой галилеевой луне).

Это помогает понять, как работает этот так называемый радиолиз, и что он действительно работает так, как ожидали люди, основываясь на лабораторных экспериментах на Земле, — отмечает-де Патер.

Сернистая среда Ио

Во второй работе, принятой к публикации в журнале JGR: Planets, издании Американского геофизического союза,-де Патер и ее коллеги сообщают о новых наблюдениях Ио с помощью Webb, которые показывают несколько продолжающихся извержений, включая усиление яркости вулканического комплекса под названием Патера Локи и исключительно яркое извержение на флюктуации Канехекили. Поскольку Ио является единственной вулканически активной луной в Солнечной системе — гравитационное давление и притяжение Юпитера нагревает ее — подобные исследования дают ученым-планетологам возможность взглянуть на ситуацию с другой стороны, чем при изучении вулканов на Земле.

Впервые исследователям удалось связать извержение вулкана на флуктуации Канехекили с определенной эмиссионной линией, так называемой «запрещенной» линией, газа монооксида серы (SO).

Диоксид серы (SO2) — основной компонент атмосферы Ио, образующийся в результате сублимации льда SO2, а также продолжающихся вулканических извержений, аналогично выделению SO2 вулканами на Земле. Вулканы также производят SO, который гораздо труднее обнаружить, чем SO2. В частности, запрещенная эмиссионная линия SO очень слаба, поскольку SO находится в таких низких концентрациях и вырабатывается лишь в течение короткого времени после возбуждения. Кроме того, наблюдения можно проводить только тогда, когда Ио находится в тени Юпитера, когда легче увидеть светящиеся газы SO. Когда Ио находится в тени Юпитера, газ SO2 в атмосфере Ио вымораживается на его поверхности, оставляя в атмосфере только SO и вновь выделяющийся вулканический газ SO2.

Эти наблюдения с помощью «Уэбба» впервые показывают, что SO действительно исходит от вулкана, — говорит-де Патер.

Де Патер ранее проводила наблюдения Ио с помощью телескопа Кек на Гавайях и обнаружила низкие уровни запрещенного излучения SO на большей части планеты, но ей не удалось связать горячие точки SO конкретно с действующим вулканом. Она подозревает, что большая часть этого SO, так же как и SO2, наблюдаемого во время затмения, исходит от так называемых вулканов-невидимок, которые извергают газ, а не пыль, что сделало бы их видимыми.

Двадцать лет назад-де Патер и ее коллеги предположили, что такое возбужденное состояние SO может возникать только в горячих вулканических источниках и что вязкая атмосфера позволяет этому состоянию существовать достаточно долго — несколько секунд — чтобы излучать запрещенную линию. Обычно возбужденные состояния, дающие такое излучение, быстро гасятся в результате столкновений с другими молекулами в атмосфере и никогда не наблюдаются. Только в тех частях атмосферы, где газ разрежен, такие возбужденные состояния существуют достаточно долго, чтобы излучать запрещенные линии. Зеленые и красные цвета земных авроров обусловлены запрещенными переходами кислорода в разреженной верхней атмосфере.

Связь между SO и вулканами связана с гипотезой, которую мы выдвинули в 2002 году, чтобы объяснить, как мы вообще можем наблюдать SO-излучение, — сказала она.

Единственный способ объяснить это излучение — это если SO активируется в вулканическом жерле при температуре 1500 Кельвинов или около того, выходит в этом возбужденном состоянии, теряет свой фотон в течение нескольких секунд, и это и есть то излучение, которое мы видим. Таким образом, эти наблюдения являются первыми, которые действительно показывают, что это наиболее вероятный механизм того, почему мы видим этот SO.

В августе Уэбб снова будет наблюдать Ио с помощью NIRSpec. Предстоящее наблюдение и предыдущее, состоявшееся 15 ноября 2022 года, были сделаны, когда Ио находилась в тени Юпитера, поэтому свет, отраженный от планеты, не перекрывал свет, идущий от Ио.

Де Патер также отметила, что яркость Патера Локи соответствует наблюдаемому периоду извержений вулкана, который становится ярким в среднем примерно каждые 500 земных суток, причем яркость продолжается в течение нескольких месяцев. Она определила это потому, что Луна не была яркой ни во время наблюдений на Keck в августе и сентябре 2022 года, ни во время наблюдений другого астронома в период с апреля по июль 2022 года. Только JWST зафиксировал это событие.

Наблюдения Уэбба показали, что извержения действительно начались, и что они были гораздо ярче, чем те, которые мы наблюдали в сентябре, — сказала она.

Хотя-де Патер в основном занимается системой Юпитера — его кольцами, малыми лунами и более крупными лунами Ганимедом и Ио, — она и другие члены ранней научной группы из примерно 80 астрономов также используют JWST для изучения планетарных систем Сатурна, Урана и Нептуна.

27.07.2023