Аномально быстрые электроны из магнитного хвоста Меркурия ускорились в турбулентностях

Немецкие ученые показали с помощью численных расчетов, что необычно высокие энергии электронов из магнитного хвоста Меркурия можно объяснить ускорением частиц в плазмоидах, которые, в свою очередь, возникают из-за турбулентностей в местах «сшивки» магнитного поля планеты и солнечного ветра. Статья опубликована в Physics of Plasmas.

Если внутри планеты находится разогретое металлическое ядро, материал которого хорошо проводит электричество и постоянно перемешивается, вокруг него будет возникать магнитное поле. Это так называемый эффект магнитного динамо, связанный с перемещением «вмороженных» в вещество линий напряженности магнитного поля. Причины такого перемешивания могут быть самые разные — например, его может вызывать термохимическая конвекция, как в случае Земли, или приливные силы, как у спутника Юпитера Ганимеда, — а в качестве материала может выступать не только привычное для нас железо, но и более экзотические материалы, такие как металлический водород в недрах газовых гигантов. Тем не менее, независимо от природы перемешивания динамо генерирует магнитное поле, которое в противном случае быстро бы затухало в результате остывания ядра.

Судя по всему, подобные процессы происходят и внутри ядра Меркурия, потому что ближайшая к Солнцу планета тоже обладает магнитным полем. Правда, поле это сравнительно слабое — примерно в 100 раз слабее земного, — однако это не мешает Меркурию обзавестись собственной небольшой магнитосферой с радиусом, сравнимым с радиусом Земли. Под действием солнечного ветра магнитосфера планеты вытягивается и образует так называемый «магнитный хвост» (magnetotail). Впервые магнитное поле Меркурия обнаружил в 1974 году аппарат «Маринер-10», а впоследствии его более подробно изучили аппараты «Гелиос-1», «Гелиос-2» и «Мессенджер».

Наблюдения за магнитосферой Меркурия выявили некоторые странности. Начиная с 2011 года, «Мессенджер» регулярно регистрировал в магнитном хвосте Меркурия электроны с энергиями порядка 100-200 килоэлектронвольт, хотя средняя энергия частиц солнечного ветра не превышает 10 килоэлектронвольт. Это значит, что магнитное поле планеты заметно ускоряет электроны, несмотря на свою небольшую напряженность. Причины такого ускорения до последнего времени оставались неизвестными, хотя ученые предполагали, что оно связано с магнитным пересоединением — «сшиванием» и перестраиванием линий напряженности магнитного поля Меркурия и солнечного ветра.

Теперь ученые под руководством Сяовэй Чжоу (Xiaowei Zhou) из германского Института исследований Солнечной системы Макса Планка показали, что ускорение частиц действительно связано с магнитным пересоединением, а если точнее — с турбулентным пересоединением в плазмоидах (turbulent plasmoid reconnection). Плазмоиды — это ограниченные конфигурации магнитных полей, в которых возникают сгустки плазмы. В самом деле, с помощью магнитогидродинамического моделирования и расчетов с пробными частицами, запущенными в поле планеты, ученые выяснили, что такие конфигурации действительно должны возникать в местах магнитного пересоединения. Для упрощения расчетов исследователи использовали приближение среднего поля, которое, тем не менее, учитывало возникающие турбулентности (mean-turbulence model). Результаты расчетов в целом совпали с измерениями аппарата «Мессенджер».

Затем ученые снова с помощью численных расчетов показали, что энергия электронов, попавших в такие плазмоиды, может вырасти более чем в тысячу раз. В то же время, энергия электронов в магнитном хвосте подчиняется температурному распределению (распределению Максвелла) и в среднем составляет примерно 60 электронвольт (такая энергия отвечает температуре около 700 тысяч кельвинов). Следовательно, отдельные электроны в самом деле могут ускоряться после попадания в плазмоиды до энергий порядка 100 килоэлектронвольт, что согласуется с измерениями «Мессенджера». Кроме того, рассчитанный учеными спектр электронов, то есть зависимость числа частиц от энергии, подчиняется степенному закону, причем показатель степени δ лежит в диапазоне от 1,6 до 2,2. Это укладывается в диапазон значений, рассчитанный на основании данных «Мессенджера» (δ ~ 1,5 ÷ 4).

Возможно, в скором времени предложенная учеными модель формирования высокоэнергетических электронов в магнитном хвосте Меркурия будет проверена. В октябре 2018 года Европейское космическое агентство совместно с Японским агентством аэрокосмических исследований собирается запустить миссию Bepi-Colombo, состоящую из аппаратов Mercury Planetary Orbiter и Mercury Magnetospheric Orbiter, которые должны подробно исследовать магнитосферу планеты. Ученые ожидают, что оба аппарата выйдут на орбиту Меркурия в конце 2025 года и проработают не менее года.

В октябре 2017 года американские астрономы выяснили, что остатки магнитного поля Марса сформировали необычный «перекрученный» магнитный хвост, не похожий на магнитные хвосты других планет. Тем не менее, магнитное поле Марса все-таки слишком слабо, чтобы защитить его атмосферу от размывания под действием солнечного ветра, как это делает, например, магнитное поле Земли. Кстати, на магнитное поле нашей планеты влияет не только движение расплавленного металла в ее недрах, но и слабые электрические токи, которые возникают из-за движения соленой воды в океанских течениях.

Ранее мы писали, как аппарат «Мессенджер», прекративший свою работу 30 апреля 2015 года, помог ученым определить возраст магнитного поля Меркурия, измеряя остаточный магнетизм горных пород планеты. Оказалось, что поле Меркурия сформировалось уже четыре миллиарда лет назад.

Дмитрий Трунин