7 Minutės
Po Voyager 2 istorinio praskridimo praėjus keturiasdešimčiai metų, Pietvakarių tyrimų instituto (Southwest Research Institute, SwRI) mokslininkai pateikia įtikinamą paaiškinimą, kodėl kosminis zondas užfiksavo netikėtai stiprias radiacijos rodmenis prie Urano: galingas saulės vėjo sutrikimas galėjo laikinai padidinti planetos elektronų diržų energiją iki itin aukštų lygių.
Mokslininkai dabar mano, kad didelis saulės vėjo įvykis galimai „perkraustė“ Urano radiacijos diržus tuo metu, kai Voyager 2 pralėkė pro planetą, tokiu būdu paaiškindamas dešimtmečius gluminusius matavimus. Šaltinis: Shutterstock. Saulės audrų išlaisvintos bangos gali būti raktas į supratimą, kodėl radiacija tapo tokia ekstremali.
Keliasdešimties metų mįslė: ką iš tikrųjų užfiksavo Voyager 2
1986 m. sausį Voyager 2 pralėkęs pro Uraną užfiksavo netikėtai intensyvią užfiksuotų elektronų radiaciją, įstrigusią planetos magnetosferoje. Užregistruotos elektronų energijos buvo reikšmingai aukštesnės negu prognozavo tada galiojęs modeliavimas ir palyginimai su kitomis planetomis. Tuo metu tyrėjai spėjo, kad Urano neįprastas magnetinio ašies pasvirimas ir magnetosferos geometrija galėjo iškreipti rodmenis — tačiau trūko įtikinamo mechanizmo, galėjusio sukurti tokias ilgalaikes aukštos energijos elektronų populiacijas.
Voyager 2 išliko vieninteliu kosminiu aparatu, apsilankiusiu prie Urano, todėl tas vienintelis duomenų rinkinys dešimtmečiais formavo mūsų supratimą apie planetos aplinkinę erdvę. Šis anomalinis stebėjimas sukėlė tiek praktinių, tiek teorinių klausimų: kaip Urano unikali magnetinė geometrija sąveikauja su periodiniais saulės vėjo sutrikimais ir ar pereinami erdvės oro reiškiniai (kosminė meteorologija) gali sukelti trumpalaikes, bet ekstremalias radiacijos sąlygas?
SwRI mokslininkai palygino erdvės oro (space weather) poveikį, kurį sukėlė greita saulės vėjo struktūra Žemėje 2019 m., su sąlygomis, stebėtomis prie Urano Voyager 2 1986 m. siekdami galbūt išspręsti 39 metų senumo mįslę apie aptiktus ekstremalius radiacijos diržus. „Chorus" tipo bangos yra elektromagnetinės emisijos, galinčios spartinti elektronus — jos galėjo susidaryti dėl saulės audros. Šaltinis: Southwest Research Institute.
Kaip saulės vėjo struktūra galėjo „parduoti“ energiją Urano diržams
Naujas analizės modelis sutelktas į struktūrą, vadinamą ko-rotuojančia sąveikos zona (co-rotating interaction region, CIR) — tai ribinė zona saulės vėjyje, kur susiduria greitos ir lėtos plazmos srovės, suspaudžiamos magnetinės linijos ir generuojama intensyvi banginė veikla. Žemėje CIR ir su jomis susiję sutrikimai dažnai inicijuoja vadinamąsias "chorus" elektromagnetines emisijas, kurios yra labai efektyvios spartinant įstrigusius elektronus iki didesnių energijų.
Dr. Robert Allen iš SwRI, straipsnio vyriausiasis autorius, teigia, kad tyrimo komanda naudojo palyginamąjį metodą: „Mokslas nuo Voyager 2 praskridimo pažengė reikšmingai. Nusprendėme palyginti Voyager 2 duomenis su Žemės stebėjimais, kuriuos atlikome per pastaruosius dešimtmečius.“ Jų išvados rodo, kad Voyager 2 užfiksuotas signatūras prie Urano primena sąlygas, susidarančias, kai per magnetosferą praeina CIR arba panaši greita saulės vėjo struktūra — tuomet susidaro aukšto dažnio bangos, kurios tuomet išsklaido elektronus bei, esant palankioms sąlygoms, juos pagreitina.
SwRI bendraautorė Dr. Sarah Vines pateikia kontekstą iš arčiau matyto Žemės pavyzdžio: „2019 m. Žemė patyrė vieną iš tokių įvykių, kuris lėmė milžinišką radiacijos diržų elektronų pagreitėjimą. Jeigu panašus mechanizmas būtų sąveikavęs su Urano sistema, tai paaiškintų, kodėl Voyager 2 užfiksavo tiek netikėtinos papildomos energijos.“ Šie teiginiai remiasi palyginimu tarp instrumentų duomenų, bangų spektrų analizės ir radiacijos matavimų koreliacijos.
Kodėl "chorus" bangos yra svarbios ir kaip dalelės gauna energiją
„Chorus" bangos yra viena iš plazmos emisijų rūšių, stebimų daugelyje planetinių magnetosferų. Jos atsiranda, kai energingi elektronai sąveikauja su magnetinio lauko nenuoseklumais, ir gali perduoti energiją kitiems elektronams rezonansinių bangų–dalelių sąveikų metu. Pagal bangų amplitudę, dažnį ir aplinkinio plazmos parametrus, tokios emisijos gali arba išbarstyti daleles į planetos atmosferą (vadinamoji pitch angle sklaida), arba jas pagreitinti į aukštesnes energijas, taip stiprindamos radiacijos diržus.
Urane, kur magnetinė ašis yra stipriai pasvirusi (apie 59°) ir dipolis yra iškelta iš planetos centro, bangų generavimo ir dalelių sulaikymo geometrija yra itin sudėtinga. Daugiakomponentė plazma, skirtingos rotacijos ir magnetinio lauko orientacijos kombinacijos sukuria scenarijų, kuriame laikinas, bet intensyvus variklis, pvz. CIR, gali suderinti bangos galios pasiskirstymą ir laiko parametrus taip, kad akimirksniu padidintų elektronų energijas — tai galėtų paaiškinti ekstremalius rodmenis, kuriuos užregistravo Voyager 2.
Pasekmės būsimiems misijoms ir ledo milžinų mokslui
Šie rezultatai nėra vien tik retrospektyvus paaiškinimas. Jeigu trumpalaikiai erdvės oro įvykiai gali dramatiškai pakeisti planetos radiacijos aplinką, misijų planuotojai turi atsižvelgti į epizodinius pavojus projektuodami kosminės technikos elektroniką, radiacijos apsaugą ir matavimo kampanijas Urano ar Neptūno tyrimams. Tokie atsitiktiniai, bet stiprūs įvykiai gali padidinti elektronų fluenciją ir kumuliacinę dozę per trumpą laiką, kas tiesiogiai veikia tiek orbitinius, tiek praskridimo zondus.
„Tai dar vienas rimtas argumentas siųsti misiją, kuri specializuotųsi Urano stebėjimu“, – sakė Allen. „Išvados turi svarbių pasekmių panašioms sistemoms, pavyzdžiui, Neptūnui.“ Detalūs in situ matavimai galėtų atskleisti, ar Voyager 2 momentinė nuotrauka užfiksavo retą šuolį, ar tai yra pasikartojanti fenomentologija išorinėje Saulės sistemoje, susijusi su saulės vėjo cikliškumu ir sezoniniais Urano orientacijos pokyčiais.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Morales, planetų erdvės fizikos specialistė, nepriklausanti šiam tyrimui, pažymi: „Palyginamoji magnetosferų mokslas yra labai galingas. Tirdami analogiškus įvykius Žemėje galime dekonstruoti retius ir skurdžius duomenis, gautus tolimų praskridimų metu. Šis darbas parodo, kaip svarbu susieti istorinius duomenis su modernia erdvės oro teorija — ypač prieš projektuojant instrumentus būsimesnėms Urano misijoms.“
Gilesnis transientinių variklių, tokių kaip CIR, „chorus" bangų generacijos ir jų vaidmens dalelių pagreitinime supratimas leidžia tikslinti planetinių magnetosferų modelius ir gerinti radiacijos pavojų prognozes visoje Saulės sistemoje. Modeliuojant difuzinius procesus (energijos ir pitch angle difuziją), naudojami tiek kinetiniai, tiek sferiniai simuliacijos metodai, kurie atsižvelgia į bangų spektrą, plazmos tankį, magnetinio lauko topologiją ir rotacijos greitį. Tokie sudėtingi modeliai yra būtini, kad būtų galima patikimai įvertinti, kiek laikinai padidėjęs energijos srautas gali paveikti orbitinius įrenginius ir kaip dažnai galima tikėtis panašių įvykių už Urano ribų.
Kol kas Voyager 2 staigmena yra mažiau paslaptis ir labiau skatinimas: išorinės planetos erdvės oras yra dinamiškas, o geriausi atsakymai ateis iš naujų misijų, aprūpintų instrumentais, galinčiais stebėti bangas, plazmą, daleles ir magnetinį lauką realiu laiku ilgesniais periodais.
Praktiniai patarimai misijoms: reikalingi jautrūs plazmos spektrometrai, daugiašūkės dalelių detektoriai (išmatuojantys energijų spektro ir kampinį pasiskirstymą), magnetometrai aukštam dažniui ir bangų instrumentai, gebantys fiksuoti „whistler“-režimo bei chorus bangų spektrus. Taip pat svarbu planuoti ilgalaikes kampanijas ir orbitalinius trajektorijų variantus, kurie leistų užfiksuoti ne tik vieną praskridimą, bet ir stebėti planetos aplinką per skirtingas Urano rotacijos fazes ir saulės vėjo sąlygų pasikeitimus.
Išplėstinis supratimas apie CIR struktūras, jų taktinę sąveiką su pasvirusia magnetosfera ir susidarančius bangų spektrus ne tik paaiškina istorinius stebėjimus, bet ir suteikia strateginę informaciją būsimiems instrumentų dizainams, misijų rizikos vertinimui bei duomenų interpretacijai — tiek Urano, tiek Neptūno ir tolimųjų ledo milžinų sistemoms.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą