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NASAのNuSTARは、木星からこれまでに検出された最高のエネルギー光を発見し、数十年前の謎を解き明かします

( oneechanblog ) – 木星の南半球は、NASAのJunoミッションからのこの画像に示されています。 NASAのNuSTARによる新しい観測は、惑星の両極の近くのオーロラが、加速された粒子が木星の大気と衝突するときに生成される高エネルギーX線を放出することを明らかにしています。 クレジット:NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSSの厚意により提供された画像に基づく、Kevin M. Gill(CC-BY)による拡張画像

惑星のオーロラは低エネルギーのX線光を生成することが知られています。 新しい研究はついに高周波X線を明らかにし、それらが30年前に別の任務を逃れた理由を説明します。

科学者たちは1970年代から木星を間近で研究してきましたが、ガス巨人はまだ謎に満ちています。 による新しい観察 NASAのNuSTAR宇宙天文台は、木星からこれまでに検出された最高エネルギーの光を明らかにしました。 NuSTARが検出できるX線の形の光は、地球以外の太陽系の惑星からこれまでに検出された中で最もエネルギーの高い光でもあります。ジャーナルNatureAstronomyの論文は、この発見を報告し、数十年前の謎を解き明かしています。1992年に木星を通過したときにユリシーズのミッションでX線が見られなかった理由。

X線は一種の光ですが、人間の目が見ることができる可視光よりもはるかに高いエネルギーと短い波長を持っています。 NASAのチャンドラX線天文台とESA(欧州宇宙機関)XMM-ニュートン天文台は両方とも、木星のオーロラからの低エネルギーX線を研究しました-木星の月のイオシャワーの火山が生成する惑星の北極と南極の近くの光のショーイオン(電子を取り除いた原子)のある惑星。木星の強力な磁場は、これらの粒子を加速し、惑星の極に向かって注ぎ込みます。そこで、それらは大気と衝突し、光の形でエネルギーを放出します。

木星は、木星の上層大気の赤外線の輝きが磁力線とともに覆われているという芸術的な印象を与えるために、可視光で示されています。木星の強力な磁場はイオンを加速し、それらを惑星の極に向けて注ぎ込みます。そこで、それらは大気と衝突し、光の形でエネルギーを放出します。クレジット:J。O’Donoghue(JAXA)/ Hubble / NASA / ESA / A。サイモン/ J。シュミット

2016年に木星に到着したNASAのジュノー宇宙船による観測によると、イオからの電子も惑星の磁場によって加速されます。研究者たちは、これらの粒子がチャンドラとXMM-ニュートンが観測したものよりもさらに高エネルギーのX線を生成するはずだと考えました。 NuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Arrayの略)は、その仮説を確認した最初の天文台です。

「惑星がNuSTARが検出する範囲のX線を生成することは非常に困難です」とコロンビア大学の天体物理学者で新しい研究の筆頭著者である森カヤは言いました。 「しかし、木星には巨大な磁場があり、非常に速く回転しています。これらの2つの特性は、惑星の磁気圏が巨大な粒子加速器のように機能することを意味し、それがこれらの高エネルギー放出を可能にするものです。」

研究者は、NuSTARを検出するために複数のハードルに直面しました。たとえば、高エネルギーの放出は、低エネルギーの放出よりも大幅に弱いです。しかし、NuSTARよりも高エネルギーのX線を感知することができたNASAとESAの共同ミッションであるユリシーズによる非検出を説明できる課題はありませんでした。ユリシーズ宇宙船は1990年に打ち上げられ、複数のミッション延長の後、2009年まで運用されました。

NuSTARは、木星の北極と南極の近くのオーロラから高エネルギーX線を検出しました。 NuSTARは光源を高精度で見つけることはできませんが、光が紫色の領域のどこかから来ていることを見つけることしかできません。クレジット:NASA / JPL-Caltech

新しい研究によると、そのパズルの解決策は、高エネルギーX線を生成するメカニズムにあります。光は、Junoが木星オーロラ分布実験(JADE)と木星エネルギー粒子検出器(JEDI)で検出できる高エネルギー電子から発生しますが、粒子に光を生成させるメカニズムは複数あります。粒子が放出する光を直接観察しなければ、どのメカニズムが原因であるかを知ることはほとんど不可能です。

この場合、原因は制動放射と呼ばれるものです。動きの速い電子が木星の大気中で帯電した原子に遭遇すると、磁石のように原子に引き付けられます。これにより、電子は急速に減速し、高エネルギーX線の形でエネルギーを失います。これは、動きの速い車がブレーキシステムにエネルギーを伝達して速度を落とす方法のようなものです。実際、制動放射はドイツ語で「制動放射」を意味します。 (低エネルギーのX線を生成するイオンは、原子線放出と呼ばれるプロセスを通じて光を放出します。)

各発光メカニズムは、わずかに異なる光プロファイルを生成します。制動放射光プロファイルの確立された研究を使用して、研究者は、X線がユリシーズの検出範囲を含むより高いエネルギーで著しく暗くなるはずであることを示しました。

「NuSTARデータの単純な外挿を行った場合、ユリシーズが木星でX線を検出できたはずであることがわかります」と博士号を取得したShifraMandel氏は述べています。コロンビア大学の天体物理学の学生であり、新しい研究の共著者。 「しかし、制動放射を含むモデルを構築しました。放出、そしてそのモデルはNuSTARの観測と一致するだけでなく、さらに高いエネルギーでは、X線はユリシーズが検出するには弱すぎたであろうことを示しています。」

この論文の結論は、NuSTAR、Juno、およびXMM-Newtonによる木星の同時観測に依存していました。

新しい章

地球上では、科学者たちは、NuSTARが木星で見たものよりもさらに高いエネルギーで地球のオーロラからX線を検出しました。しかし、これらの放出は非常に弱く、木星よりもはるかに暗く、これらのX線を生成する大気中の場所に非常に接近する小型衛星または高高度気球によってのみ発見できます。同様に、木星の大気中でこれらの放射を観測するには、1990年代にユリシーズによって運ばれたものよりも高い感度で惑星に近いX線装置が必要になります。

「これらの排出物の発見は、事件を終わらせるものではありません。新しい章が開かれます」と、ロンドン大学ユニバーシティカレッジの研究者で論文の共著者であるウィリアムダンは述べています。 「これらの排出量とその発生源については、まだ多くの質問があります。回転する磁場が粒子を加速する可能性があることはわかっていますが、木星で粒子がこのような高速に到達する方法を完全には理解していません。どのような基本的なプロセスが自然にそのようなエネルギー粒子を生成しますか?」

科学者たちはまた、木星のX線放射を研究することで、私たちの宇宙のさらに極端な物体を理解するのに役立つことを望んでいます。 NuSTARは通常、巨大なブラックホールの重力によって加速された爆発する星や高温ガスの円盤など、太陽系外の物体を研究します。

新しい研究は、NuSTARの観測結果をX線源(Junoによる)で取得されたデータと比較できる科学者の最初の例です。これにより、研究者はこれらの高エネルギーX線を生成するものについてのアイデアを直接テストすることができました。木星はまた、宇宙の他の磁気オブジェクト(マグネター、中性子星、白色矮星)と多くの物理的な類似点を共有していますが、研究者は、粒子がこれらのオブジェクトの磁気圏でどのように加速され、高エネルギー放射を放出するかを完全には理解していません。木星を研究することによって、研究者は私たちがまだ訪れることができない遠い情報源の詳細を明らかにするかもしれません。

参考:カヤ・モリ、チャールズ・ヘイリー、ガブリエル・ブリッジ、シフラ・マンデル、アマニ・ガービン、ブライアン・グレフェンステット、ウィリアム・ダン、ベンジャミン・J・ホード、グラジエラ・ブランドゥアルディ・レイモント、ジョンによる「木星からの非熱的硬X線の観測と起源」クラーク、カイトリオナジャックマン、メラニアニンカ、リチアレイ、2022年2月10日、ネイチャーアストロノミー。
DOI:10.1038 / s41550-021-01594-8

ミッションの詳細

NuSTARは2012年6月13日に打ち上げられました。カリフォルニア工科大学が主導し、ワシントンにあるNASAの科学ミッション局のためにJPLが管理するスモールエクスプローラーミッションは、デンマーク工科大学とイタリア宇宙機関(ASI)と共同で開発されました。望遠鏡の光学系はコロンビア大学によって作られました。メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダードスペースフライトセンター、およびDTU。宇宙船は、バージニア州ダレスにあるOrbital SciencesCorp。によって製造されました。 NuSTARのミッションオペレーションセンターはカリフォルニア大学バークレー校にあり、公式のデータアーカイブはNASAの高エネルギー天体物理学科学アーカイブ研究センターにあります。 ASIは、ミッションの地上局とミラーデータアーカイブを提供します。 CaltechはNASAのJPLを管理しています。

JPLは、サンアントニオにあるサウスウエスト研究所の主任研究員であるスコットJ.ボルトンのJunoミッションを管理しています。 Junoは、NASAのニューフロンティア計画の一部です。このプログラムは、アラバマ州ハンツビルにあるNASAのマーシャル宇宙飛行センターで、NASAの科学ミッション局のために管理されています。デンバーのロッキードマーティンスペースは、宇宙船を建設し、運用しています。

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