Эмма Томас (Emma M. Thomas) из Лестерского университета вместе с коллегами из Университета Нортумбрии и Университетского колледжа Лондона описала полярные сияния в ближнем инфракрасном диапазоне на планете Уран. Попытки сделать это были начаты еще в 1990-е годы, и только теперь ученые достигли успеха.
Ледяные гиганты Уран и Нептун отличаются от других планет Солнечной системы тем, что их магнитные поля не совпадают с осями вращения планет. Планетологам еще предстоит найти объяснение этому, и ключ к разгадке может лежать в полярных сияниях Урана. Полярные сияния в верхних слоях атмосферы планет вызываются взаимодействием заряженных частиц солнечного ветра с магнитосферой планеты. На таких планетах, как Уран, где атмосфера состоит преимущественно из смеси водорода и гелия, полярное сияние будет излучать свет в том числе и за пределами видимого спектра. Ультрафиолетовые полярные сияния Урана были открыты в 1986 году благодаря полету «Вояджера-2».
В нынешнем исследовании авторы проанализировали спектры Урана в ближнем инфракрасном диапазоне, полученные с помощью прибора NIRSPEC на телескопе Keck II. Они отслеживали следы частиц катиона триводорода. Эта частица, известная также как протонированный молекулярный водород (H3+), состоит из трех атомов водорода с двумя электронами. Катион триводорода — один из самых распространенных ионов во Вселенной. Он стабилен в межзвездной среде из-за низкой температуры и малой плотности межзвездного пространства. Катион триводорода был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1911 году. В 1980-е — 1990-е годы эмисионные линии, соответствующие катиону триводорода, были обнаружены в ионосферах Юпитера, Урана и Сатурна, а в 1996 году — также в межзвездной среде.
«В инфракрасном спектре линии, излучаемые заряженной частицей H3+, будут различаться по яркости в зависимости от того, насколько это горячая или холодная частица и насколько плотен данный слой атмосферы. Следовательно, линии могут быть использованы как термометр», — рассказывают авторы нынешнего исследования. Наблюдения Keck II выявили отчетливое увеличение плотности H3+ в атмосфере Урана при небольших изменениях температуры, что указывает на ионизацию, вызванную наличием инфракрасного полярного сияния.
«Температуры всех планет-гигантов, включая Уран, на сотни градусов Кельвина/Цельсия выше, чем предсказывают модели, учитывающие только нагрев Солнцем, и у нас возникает большой вопрос: почему эти планеты настолько горячее, чем ожидалось? — говорит Эмма Томас. — Одна из теорий предполагает, что причиной этого является энергичное полярное сияние, которое генерирует и выталкивает тепло от полярных областей вниз к магнитному экватору. Большинство экзопланет, обнаруженных на данный момент, относятся к категории субнептуновых и, следовательно, физически похожи на Нептун и Уран по размеру. Это также может означать схожие магнитные и атмосферные характеристики. Анализируя полярное сияние Урана, которое напрямую связано как с магнитным полем, так и с атмосферой планеты, мы можем делать прогнозы об атмосферах и магнитных полях этих миров и, следовательно, об их пригодности для жизни».
Полученные результаты могут также дать ученым представление о редком для Земли явлении, при котором северный и южный магнитные полюса меняются местами. «У нас не так много исследований этого явления, и поэтому мы не знаем, какие последствия это окажет на системы, которые полагаются на магнитное поле Земли, такие как спутники, средства связи и навигации, — говорит Эмма Томас. — Однако на Уране этот процесс происходит каждый день из-за уникального несовпадения вращательной и магнитной осей. Продолжение изучения полярных сияний Урана даст данные о том, чего мы можем ожидать, когда Земля в будущем продемонстрирует смену полюсов, и что это будет означать для ее магнитного поля».
Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.
