Полярные сияния возникают, когда энергичные частицы, часто исходящие от Солнца, попадают в магнитное поле планеты и в конечном итоге достигают верхних слоёв атмосферы. Энергия, высвобождающаяся при этих столкновениях, создаёт характерное свечение.
Слева — улучшенное цветное изображение Нептуна, полученное космическим телескопом «Хаббл» НАСА. Справа — это изображение в сочетании с данными космического телескопа «Джеймс Уэбб» НАСА. Голубые пятна, представляющие полярные сияния, и белые облака — это данные, полученные с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) «Джеймса Уэбба», наложенные на полное изображение планеты, полученное с помощью широкоугольной камеры 3 «Хаббла».
В прошлом астрономы видели многообещающие намёки на полярное сияние на Нептуне, например, во время пролёта «Вояджера-2» НАСА в 1989 году. Однако, несмотря на успешные наблюдения на Юпитере, Сатурне и Уране, астрономам долгое время не удавалось увидеть и подтвердить полярное сияние на Нептуне. Нептун был недостающим элементом головоломки, когда дело дошло до обнаружения полярного сияния на гигантских планетах нашей Солнечной системы.
«Оказывается, получить изображение полярных сияний на Нептуне стало возможным только благодаря чувствительности Webb в ближнем инфракрасном диапазоне, — сказал ведущий автор исследования Хенрик Мелин из Нортумбрийского университета, который проводил исследование в Университете Лестера. — Было так удивительно не просто увидеть полярные сияния, но и то, насколько детализированными и чёткими они были».
Данные были получены в июне 2023 года с помощью спектрографа ближнего инфракрасного диапазона Уэбба. Помимо изображения планеты, астрономы получили спектр для определения состава и измерения температуры верхних слоёв атмосферы планеты (ионосферы). Впервые они обнаружили чрезвычайно яркую эмиссионную линию, указывающую на присутствие катиона триводорода (H3+), который может образовываться в полярных сияниях. На снимках Нептуна, сделанных телескопом «Уэбб», светящееся полярное сияние выглядит как пятна, окрашенные в голубой цвет.
«H3+ был явным признаком полярной активности на всех газовых гигантах — Юпитере, Сатурне и Уране, — и мы ожидали увидеть то же самое на Нептуне, когда исследовали планету на протяжении многих лет с помощью лучших наземных приборов, — объяснила Хайди Хаммел из Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии, междисциплинарный учёный Уэбба и руководитель программы гарантированных наблюдений за Солнечной системой, в рамках которой были получены эти данные. — Только с помощью такого аппарата, как Уэбб, мы наконец получили это подтверждение».
Полярное сияние, наблюдаемое на Нептуне, также заметно отличается от того, что мы привыкли видеть здесь, на Земле, или даже на Юпитере или Сатурне. Полярное сияние Нептуна не ограничивается северным и южным полюсами планеты, а расположено в географических средних широтах планеты — примерно там, где на Земле находится Южная Америка.
Это связано со странной природой магнитного поля Нептуна, которое было открыто «Вояджером-2» в 1989 году и наклонено на 47 градусов относительно оси вращения планеты. Поскольку полярное сияние возникает там, где магнитные поля сходятся в атмосфере планеты, полярные сияния Нептуна находятся далеко от его полюсов вращения.
Новаторское открытие полярных сияний на Нептуне поможет нам понять, как магнитное поле Нептуна взаимодействует с частицами, которые исходят от Солнца и достигают отдалённых уголков нашей Солнечной системы. Это совершенно новое направление в науке об атмосфере ледяного гиганта.
Благодаря наблюдениям «Уэбба» команда также впервые с момента пролета «Вояджера-2» измерила температуру верхних слоёв атмосферы Нептуна. Полученные результаты позволяют предположить, почему полярные сияния Нептуна так долго оставались скрытыми от астрономов.
«Я был поражён — верхние слои атмосферы Нептуна остыли на несколько сотен градусов, — сказал Мелин. — На самом деле, температура в 2023 году была чуть выше половины температуры в 1989 году».
На протяжении многих лет астрономы предсказывали интенсивность полярных сияний на Нептуне, основываясь на температуре, зафиксированной «Вояджером-2». Значительно более низкая температура привела бы к гораздо менее ярким полярным сияниям. Вероятно, именно из-за такой низкой температуры полярные сияния на Нептуне так долго оставались незамеченными. Резкое похолодание также говорит о том, что этот регион атмосферы может сильно меняться, несмотря на то, что планета находится более чем в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля.
Вооружившись этими новыми открытиями, астрономы теперь надеются изучить Нептун с помощью «Уэбба» в течение полного солнечного цикла — 11-летнего периода активности, обусловленного магнитным полем Солнца. Результаты могут дать представление о происхождении странного магнитного поля Нептуна и даже объяснить, почему оно наклонено.
«Заглядывая в будущее и мечтая о будущих миссиях на Уран и Нептун, мы теперь знаем, насколько важно иметь приборы, настроенные на длины волн инфракрасного света, чтобы продолжать изучать полярные сияния, — добавила Ли Флетчер из Лестерского университета, соавтор статьи. — Эта обсерватория наконец-то открыла окно в эту последнюю, ранее скрытую ионосферу планет-гигантов».
