Космический аппарат MAVEN впервые пронаблюдал протонные полярные сияния на Марсе. Это позволяет астрономам лучше понять механизмы взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Марса и других планет в Солнечной Системе, имеющих газовые оболочки. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Протонные сияния — это одна из разновидностей полярных сияний в атмосфере Земли, вызываемых потоками энергичных частиц. Они возникают, когда поток высокоэнергичных (10-100 кэВ) протонов попадает в атмосферу планеты и сталкивается с молекулами и атомами атмосферных газов, возбуждая и ионизуя их. Если при этом протон захватит свободный электрон, то произойдет процесс перезарядки, с образованием нейтрального атома водорода в основном или возбужденном состоянии. В последнем случае атомы водорода могут перейти в основное состояние, испустив фотоны с длиной волны, характерной для серии Бальмера, которые регистрируются приборами и видны невооруженным глазом как свечение. Протонные сияния выделяются протяженностью и формой (протонная дуга или арка), также у них большая интенсивность в низких широтах, в отличие от привычных нам сияний, вызываемых электронами. Кроме того, для излучающих и быстродвижущихся атомов водорода будет иметь место эффект Доплера, благодаря которому можно определить параметры потока протонов.

Еще одним фактором, влияющим на характеристики земных протонных сияний, является влияние на них сильного магнитного поля планеты. Это означает, что подобные события в атмосферах планет, не обладающих мощным магнитным полем, будут развиваться по сценариям, отличным от земных. Если говорить о Марсе, который не имеет глобального магнитного поля и окружен обширной короной из нейтрального водорода, то протоны солнечного ветра, прошедшие процесс перезарядки в короне, могут проникнуть сквозь головную ударную волну и провзаимодействуют с атомами и молекулами атмосферных газов в нижней термосфере (на высотах 110-130 км), породив свечение. Однако до сих пор в атмосфере Красной планеты не было случаев достоверной регистрации протонных сияний.

Группа астрономов во главе с Джастином Дейгханом (Justin Deighan) сообщает об успешной регистрации протонных сияний на Марсе, обнаруженных орбитальным аппаратом MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission). Открытие было сделано при анализе данных, собранных в ультрафиолетовом диапазоне спектрографом IUVS (The Imaging Ultraviolet Spectrograph) и датчиком частиц солнечного ветра SWIA (Solar Wind Ion Analyzer) в период с 1 марта по 4 апреля 2015 года. Ранее стало известно, что датчик обнаружил переменную по времени популяцию почти моноэнергетических протонов со скоростью, практически равной скорости солнечного ветра в дневной термосфере планеты (на высотах ниже 250 км) в течение этого периода времени. Предполагается, что эти протоны являются результатом процессов перезарядки в головной ударной волне и водородной короне, которая на тот момент была раздута из-за наступившего лета. В этот же временной период были обнаружено интенсивное свечение атомарного водорода (серия Лаймана) в ультрафиолетовом диапазоне (стоит отметить, что регистрация частиц велась вблизи аппарата, в то время как свечение регистрировались сильно ниже него), что говорит о наличии протонных сияний на дневной стороне планеты. 

Исследователи отмечают, что проведенные моделирования также говорят о регистрации именно протонных сияний на Марсе, однако необходимо провести более подробные исследования в дальнейшем. Процессы, которые приводят к появлению подобных атмосферных явлений на Марсе могут происходить на любом небесном теле, обладающем обширной короной из нейтрального газа, которая простирается за пределы головной ударной волны и может непосредственно взаимодействовать с солнечным ветром. Такие условия существуют на Венере, кометах, спутнике Сатурна Титане, когда он находится вне магнитосферы планеты или экзопланетах, таких как HD 209458b. 

Ранее мы рассказывали о том, как была выяснена природа пульсирующих полярных сияний и услышано «пение» волн в плазмосфере Земли, а также о том, как MAVEN впервые обнаружил в верхних слоях атмосферы Марса долгоживущие слои из ионов металлов.

Александр Войтюк