木星のX線オーロラの原因の謎が解ける

木星の強力な磁力と衛星イオから供給されるイオンでオーロラから可視光だけでなくX線が出てくる？以下、自動翻訳。
木星のX線オーロラの原因の謎が解ける
2021年7月9日
ESA/科学と探査/宇宙科学
木星のX線オーロラの原因の40年前の謎が解かれました。天文学者は初めて、メカニズム全体が機能しているのを見ました–そしてそれは宇宙の他の多くの部分でも起こっているプロセスである可能性があります。

惑星の天文学者は、木星の壮大なX線オーロラ放射を何十年も研究してきました。これらのオーロラのX線の「色」は、それらが木星の大気に衝突するイオンと呼​​ばれる帯電した粒子によって引き起こされることを示しています。しかし、天文学者は、そもそもイオンがどのようにして大気に到達することができるのかを知りませんでした。

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さて、彼らは初めて、木星の磁場の中で、大気中に降り注ぐイオンの「サーフィン」電磁波を見ました。
重要な手がかりは、ESAのXMM-Newton望遠鏡とNASAの探査機Junoからのデータの新しい分析から得られました。地球の軌道上にあるXMM-Newtonは、木星をX線波長で遠隔観測します。一方、ジュノは木星の磁場の内側からその場で読み取りを行い、巨大な惑星自体を一周します。しかし、問題は、チームは何を探すべきかということでした。
手がかりは、北京の中国科学院地質地球物理学研究所であり、新しい研究の筆頭著者である中華八尾が、木星のX線オーロラについて何かが意味をなさないことに気づいたときに来ました。
地球上では、オーロラは緯度65度から80度の間の磁極を囲む帯でのみ見ることができます。80度を超えると、ここの磁力線が地球を離れ、太陽によって放出される帯電粒子の一定のフラックスである太陽風の磁場に接続するため、オーロラ放射は消えます。これらはオープンフィールドラインと呼ばれ、伝統的な写真では、木星と土星の高緯度極域は実質的なオーロラを放出するとは予想されていません。
しかし、木星のX線オーロラはこの写真と一致していません。それらは主なオーロラルベルトの極方向に存在し、定期的に脈動し、北極と南極で異なる場合があります。これらは「閉じた」磁場の典型的な特徴であり、磁力線は一方の極で惑星を出て、もう一方の極で惑星と再接続します。
コンピューターシミュレーションを使用して、Zhonghuaらは以前、脈動するX線オーロラが木星の内部で生成された閉じた磁場にリンクされ、数百万キロメートルも宇宙に広がってから元に戻る可能性があることを発見しました。
2017年7月16日と17日、XMM-Newtonは木星を26時間連続して観測し、27分ごとに脈動するX線オーロラを見ました。同時に、ジュノは惑星の夜明け前の領域の上で62から68の木星半径の間を旅行していました。これはまさに、チームのシミュレーションが脈動を引き起こすために重要であると示唆した領域でした。そのため、チームはJunoデータを検索して、同じ速度で発生している磁気プロセスを探しました。
彼らは、脈動するX線オーロラが木星の磁場の変動によって引き起こされることを発見しました。惑星が回転するとき、それはその磁場の周りを引きずります。磁場は太陽風の粒子によって直接打たれ、圧縮されます。これらの圧縮は、木星の磁場に閉じ込められた粒子を加熱します。これは、電磁イオンサイクロトロン（EMIC）波と呼ばれる現象を引き起こします。この現象では、粒子が力線に沿って方向付けられます。
粒子自体は、イオンと呼​​ばれる帯電した原子です。フィールドに導かれて、イオンは数百万キロメートルの空間を横切ってEMIC波を「サーフィン」し、最終的には惑星の大気に衝突し、X線オーロラを引き起こします。
「Junoデータに見られるのは、この美しい一連のイベントです。圧縮が発生し、EMIC波がトリガーされ、イオンが表示され、次に力線に沿って移動するイオンのパルスが表示されます。そして数分後、XMMはX線のバーストを確認します」と研究を共同で主導したユニバーシティカレッジロンドンのマラード宇宙科学研究所のウィリアムダンは言います。
木星のX線オーロラの原因となるプロセスが初めて特定されたので、次に研究できる可能性が豊富に広がります。たとえば、木星では、磁場は硫黄イオンと酸素イオンで満たされ、それらは衛星イオの火山によって噴出されます。土星では、衛星エンケラドゥスが水を宇宙に噴射し、土星の磁場を水イオンで満たします。
「これは、土星、天王星、海王星、そしておそらく太陽系外惑星にも適用できる基本的なプロセスです」とZhonghua氏は言います。
プロセスが明らかになった今、ここ地球で起こるイオンオーロラとの著しい類似性があるので、それはそれよりももっと広く適用できるかもしれません。地球の場合、原因となるイオンは水素原子に由来する陽子であり、その過程はX線を生成するのに十分なエネルギーではありません。それでも、基本的なプロセスは同じです。したがって、木星のX線オーロラは基本的にイオンオーロラですが、地球上の陽子オーロラよりもはるかに高いエネルギーです。
「EMIC波は、宇宙全体のある場所から別の場所にエネルギーを伝達する上で重要な役割を果たしている可能性があります」とウィリアムは言います。
木星自体については、ESAのJUpiter ICy moons Explorer（ジュース）でオーロラの研究を続けていきます。2029年までに到着する予定のジュースは、惑星の大気、磁気圏、および木星の4つの最大の衛星がオーロラに与える影響を研究します。

ZHヤオとWRダンらによる「木星のX線オーロラフレアの発生源を明らかにする」。（2021）はScienceAdvancesに 掲載されています。DOI：10.1126 / sciadv.abf0851