Край Будущего

Впервые телескоп NASA «Джеймс Уэбб» запечатлел яркую аворальную активность на Нептуне. Авроры возникают, когда энергетические частицы, зачастую исходящие от Солнца, проникают в магнитное поле планеты и в конечном итоге сталкиваются с верхними слоями атмосферы. Энергия, высвобождаемая в ходе этих столкновений, создает характерное свечение.

Ранее астрономы наблюдали интригующие намеки на аворальную активность на Нептуне, например, во время пролета NASA «Вояджер 2» в 1989 году. Однако визуализация и подтверждение аврор на Нептуне долгое время оставались вне досягаемости астрономов, несмотря на успешные открытия на Юпитере, Сатурне и Уране. Нептун представлял собой недостающее звено в загадочной цепи обнаружения аврор на гигантских планетах нашей солнечной системы.

«Оказалось, что фактическая визуализация аворальной активности на Нептуне стала возможной лишь благодаря ближнему инфракрасному спектру Уэбба», — отметил ведущий автор исследования Хенрик Мелин из Университета Нортумбрии, проводивший свои исследования в Университете Лестера. «Это было поразительно — не только увидеть авроры, но и детали, а также четкость этого сигнала действительно поразили меня». Результаты работы команды были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Данные были собраны в июне 2023 года с использованием ближнего инфракрасного спектрографа Уэбба. В дополнение к изображению планеты астрономы получили спектр, который позволил охарактеризовать состав и измерить температуру верхней атмосферы планеты (ионосферы). Впервые они обнаружили чрезвычайно яркую эмиссионную линию, указывающую на наличие трио-водородного катиона (H3+), который может образовываться в аврорах. На изображениях Нептуна, полученных с помощью Уэбба, светящаяся аврора предстает в виде пятен, окрашенных в циановый цвет.

«H3+ является четким индикатором аворальной активности на всех газовых гигантах — Юпитере, Сатурне и Уране. Мы ожидали увидеть то же самое на Нептуне, когда на протяжении многих лет исследовали планету с помощью лучших наземных обсерваторий», — объяснила Хайди Хаммел из Ассоциации университетов по исследованию астрономии, междисциплинарный ученый Уэбба и руководитель программы гарантированных наблюдений, в рамках которой были получены данные. «Только с помощью такого инструмента, как Уэбб, мы наконец смогли подтвердить это».

Аворальная активность, наблюдаемая на Нептуне, также заметно отличается от того, что мы привыкли видеть на Земле или даже на Юпитере и Сатурне. Вместо того чтобы сосредотачиваться на северных и южных полюсах планеты, авроры Нептуна располагаются в географических средних широтах — представьте себе, где находится Южная Америка на нашей планете.

Это связано с необычной природой магнитного поля Нептуна, впервые открытого «Вояджером 2» в 1989 году, которое наклонено на 47 градусов относительно оси вращения планеты. Аворальная активность возникает в тех местах, где магнитные поля взаимодействуют с атмосферой, и, как следствие, авроры Нептуна располагаются далеко от его вращательных полюсов.

Прорывное открытие северного сияния на Нептуне предоставляет уникальную возможность глубже понять, как магнитное поле этой планеты взаимодействует с частицами, исходящими от Солнца и достигающими удаленных уголков нашей солнечной системы, открывая совершенно новое окно в изучение атмосферы ледяных гигантов.

Согласно наблюдениям, проведённым с помощью телескопа «Джеймс Уэбб», команда астрономов впервые измерила температуру верхней атмосферы Нептуна с момента пролета «Вояджера 2». Полученные результаты проливают свет на причины, по которым авроры Нептуна оставались скрытыми от астрономов столь продолжительное время.

«Я был поражён — верхняя атмосфера Нептуна охладилась на несколько сотен градусов», — отметил Мелин. «На самом деле, температура в 2023 году составила чуть более половины от той, что была в 1989 году».

На протяжении многих лет астрономы предсказывали интенсивность аврор Нептуна, основываясь на температурных данных, полученных «Вояджером 2». Значительное снижение температуры приводит к гораздо более тусклым северным сияниям. Это резкое охлаждение, вероятно, объясняет, почему авроры Нептуна оставались недоступными для наблюдения так долго. Кроме того, оно указывает на то, что данная область атмосферы может значительно изменяться, несмотря на то что планета находится более чем в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля.

Обладая этими новыми данными, астрономы теперь надеются изучать Нептун с помощью телескопа «Уэбб» на протяжении полного солнечного цикла — 11-летнего периода активности, вызванного магнитным полем Солнца. Полученные результаты могут дать ценное представление о происхождении странного магнитного поля Нептуна и даже объяснить, почему оно так сильно наклонено.

«Когда мы смотрим в будущее и мечтаем о новых миссиях к Урану и Нептуну, мы понимаем, насколько важно иметь инструменты, настроенные на длины волн инфракрасного света, чтобы продолжать изучать авроры», — добавила Ли Флетчер из Университета Лестера, соавтор статьи. «Этот обсерваторий наконец открыл окно в эту ранее скрытую ионосферу гигантских планет». Наблюдения, возглавляемые Флетчер, были проведены в рамках программы гарантированных наблюдений Хаммела под номером 1249.

На расстоянии чуть более четырех световых лет Проксима Центавра является нашим ближайшим звездным соседом и известна своей высокой активностью как звезда типа M. Ее вспышечная активность хорошо известна астрономам, использующим видимые длины волн света, но новое исследование, проведенное с использованием наблюдений с помощью массива Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), подчеркивает экстремальную активность этой звезды в радиодиапазоне и миллиметровых длинах волн, предлагая захватывающие идеи о частичной природе этих вспышек, а также потенциальные последствия для возможности жизни на ее землеподобных планетах в обитаемой зоне.

Известная тем, что может иметь потенциально обитаемую планету, звезда Проксима Центавра демонстрирует высокую активность вспышек в оптическом диапазоне. Подобно вспышкам на нашем Солнце, эти выбросы высвобождают световую энергию по всему электромагнитному спектру, а также выбросы частиц, известных как звездные энергетические частицы. В зависимости от энергии и частоты этих вспышек близлежащие планеты в обитаемой зоне могут стать необитаемыми, поскольку вспышки срывают атмосферу планет, лишая их необходимых компонентов, таких как озон и вода.

Команда астрономов, возглавляемая Кьяной Бёртон из Университета Колорадо и Мередит MacGregor из Университета Джонса Хопкинса, использовала архивные данные и новые наблюдения ALMA для изучения вспышечной активности Проксима Центавра в миллиметровом диапазоне. Их исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.

Небольшой размер Проксима Центавра и сильное магнитное поле указывают на то, что ее внутренняя структура, вероятно, полностью конвективная, в отличие от Солнца, которое имеет как конвективные, так и не конвективные слои. В результате звезда намного более активна. Ее магнитные поля закручиваются, развивают напряжение и в конечном итоге разрываются, отправляя потоки энергии и частиц наружу в том, что астрономы наблюдают как вспышки.

MacGregor резюмировала основной вопрос исследования: "Активность нашего Солнца не удаляет атмосферу Земли и вместо этого вызывает красивые полярные сияния, потому что у нас есть толстая атмосфера и сильное магнитное поле, защищающее нашу планету. Но вспышки Проксимы Центавра гораздо мощнее, и мы знаем, что у нее есть скалистые планеты в обитаемой зоне.

"Что эти вспышки делают с их атмосферами? Есть ли такой большой поток радиации и частиц, что атмосфера химически модифицируется или, возможно, полностью выдувается?"

Это исследование представляет собой первое многоволновое исследование с использованием миллиметровых наблюдений, чтобы открыть новый взгляд на физику вспышек. Объединив 50 часов наблюдений ALMA с использованием как полного 12-метрового массива, так и 7-ми метрового массива Атакама, было зарегистрировано всего 463 события вспышек с энергиями от 10^24 до 10^27 эрг. Сами вспышки были короткими событиями, продолжительностью от 3 до 16 секунд.

"Когда мы видим вспышки с ALMA, то, что мы видим, — это электромагнитное излучение — свет в различных длинах волн. Но, заглядывая глубже, это рентгеновское излучение радиодиапазона также дает нам возможность проследить свойства этих частиц и понять, что именно выбрасывается из звезды", — говорит MacGregor

Для этого астрономы характеризуют так называемое распределение частоты вспышек звезды, чтобы составить карту количества вспышек в зависимости от их энергии. Обычно наклон этого распределения следует закону степени: меньшие (менее энергичные) вспышки происходят чаще, в то время как более крупные, более энергичные вспышки происходят реже.

Проксима Центавра испытывает такое количество вспышек, что команда смогла зафиксировать множество вспышек в каждой энергетической области. Более того, команде удалось количественно оценить асимметрию самых высокоэнергетических вспышек звезды, описав, как фаза затухания вспышек была значительно длиннее, чем фаза начального всплеска.

Наблюдения в радиодиапазоне и миллиметровых длинах волн помогают установить ограничения на энергии, связанные с этими вспышками, и их соответствующими частицами. MacGregor подчеркнула ключевую роль ALMA: "Миллиметровые вспышки, похоже, происходят гораздо чаще — это другой закон степени, чем тот, который мы наблюдаем в оптическом диапазоне. Поэтому, если мы смотрим только в оптическом диапазоне, мы упускаем критически важную информацию. ALMA — единственный миллиметровый интерферометр, достаточно чувствительный для этих измерений."

Исследователи разработали новый материал, который, используя энергию солнечного света, может очищать воду от опасных загрязнителей. Он был создан с помощью комбинации мягких химических гелей и технологии электропрядение — метода, при котором электрическая сила применяется к жидкостям для создания мелких волокон. Команда сконструировала тонкие волокнистые полоски диоксида титана (TiO₂), соединения, часто используемого в солнечных элементах, газовых сенсорах и различных технологиях самоочистки.

Несмотря на то, что солнечные топливные системы, использующие наночастицы TiO₂, являются отличным альтернативным источником энергии, они часто ограничены по мощности, поскольку могут проводить фото-каталитические реакции, лишь поглощая невидимый УФ-свет. Это создает значительные проблемы для реализации, включая низкую эффективность и необходимость в сложных фильтрационных системах.

Однако, когда исследователи добавили медь в материал для улучшения этого процесса, их новые структуры, названные наночастицы, смогли поглощать достаточно световой энергии для разрушения вредных загрязнителей в воздухе и воде, сказала Пелагия-Ирен Гума, ведущий автор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.

"Не было простого способа создать что-то вроде одеяла, которое можно положить на воду и начать генерировать энергию", — сказала она. "Но мы единственные, кто создал такие структуры и продемонстрировал, что они действительно работают".

Исследование было недавно опубликовано в журнале Advanced Science.

Когда диоксид титана поглощает свет, образуются электроны, которые окисляют воду и атакуют загрязнители, медленно разрушая их до безопасного состояния. Когда добавляется медь, этот процесс ускоряется, что делает его еще более эффективным.

Чтобы определить это, исследователи работали над характеристикой обновленных свойств наночастицы, чтобы понять, как он ведет себя и чем отличается от других самоочищающихся наночастиц, сказала Гума. Удивительно, но исследователи обнаружили, что по сравнению с традиционными солнечными элементами, эти наночастицы могут быть более успешными в генерации энергии при естественном солнечном свете, добавила она.

"Эти наночастицы могут использоваться как генераторы энергии или как инструменты для очистки воды", — сказала она. "В обоих случаях у вас есть катализатор с самой высокой эффективностью, о которой сообщалось на сегодняшний день".

Эти легкие, легко снимаемые волокнистые маты могут плавать и работать на любой водной поверхности и даже могут быть использованы повторно через несколько циклов очистки. Поскольку наночастицы столь эффективны, исследователи предполагают, что их можно использовать для удаления промышленных загрязнителей в развивающихся странах, превращая загрязненные реки и озера в источники чистой питьевой воды.

Кроме того, поскольку эта технология не генерирует токсичных побочных продуктов, как некоторые солнечные электрические системы, наночастицы являются исключительно экологически чистыми. "Это безопасный материал, он никому не навредит и настолько чист, насколько это возможно", — сказала Гума.

Тем не менее, хотя технология этой команды невероятно эффективна, сколько времени потребуется для ее коммерческого масштабирования, зависит от того, как быстро индустрия обратит на продукт внимание. "У нас есть инструменты для их массового производства и перевода в различные отрасли", — сказала Гума. "Единственное ограничение в том, что нужно, чтобы кто-то воспользовался этими обильными ресурсами".

В целом, результаты исследования предполагают, что наночастицы могут стать многообещающим инструментом в многих будущих фото-каталитических приложениях, включая долгосрочные усилия по устойчивому развитию, такие как экологическая реабилитация, а также производство водорода на солнечной основе.

В то же время команда планирует изучить способы дальнейшей оптимизации материала.

"Этот материал совершенно новаторский с точки зрения новой формы нанотехнологии", — сказала Гума. "Это действительно впечатляюще и то, чем мы очень гордимся".

Ученые давно полагают, что ледяные миры нашей солнечной системы, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад, могут содержать внеземную жизнь в форме микробов. Однако обнаружить её может быть проблематично, поскольку миссии к ледяным мирам полагались на зонды, а не на посадочные аппараты.

Зонды проходят лишь через атмосферу планеты или луны, находясь за несколько километров от поверхности и внутренней структуры. Космические аппараты, такие как Europa Clipper (как и Cassini до него), находятся даже дальше и не входят в экзосферу луны.

Чтобы справиться с этой задачей, Лили Клаф и её коллеги описывают метод обнаружения биохимических сигнатур, используя образцы из струй газа, вырывающихся из таких миров. Этот подход использует масс-спектрометрию для измерения уровней изотопов, производимых в ходе метаболических процессов, таких как фотосинтез и метаногенез. Затем методы машинного обучения оценивают, указывают ли эти уровни на наличие жизни под поверхностью.

Для обучения алгоритма исследователи нуждались в примерах экзосферных условий с присутствием и без присутствия жизни. В лаборатории они создали рассолы с химией, аналогичной химии Европы и Энцелада. В некоторые рассолы они добавили сульфатредуцирующую бактерию "Desulfotomaculum thermocisternum", которая может напоминать жизнь на океанических мирах.

Измерение газов в головных пространствах бутылок с жидкостью дало исследователям примеры потенциального состава экзосфер ледянных миров и того, как микробы изменяют этот состав.

Геохимия, не связанная с присутствием жизни, также будет влиять на изотопы в этих типах образцов, поэтому исследователи варьировали ингредиенты в своих рассолах, чтобы охватить широкий спектр возможных сценариев. Обучив свою модель на этих образцах, они создали диагностический инструмент, который может отделять сигнатуры жизни от других типов химии с низким потенциалом ложноположительных результатов.

Исследователи отмечают, что модель требует дальнейшего тестирования, прежде чем её можно будет усовершенствовать, в том числе с использованием различных микробов. Но при дальнейшем развитии они утверждают, что этот инструмент может стать ценным для будущих космических миссий.

Работа опубликована в журнале Earth and Space Science. (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024EA00...)