Merkury jednak ma pasy radiacyjne. Pojawiają się i znikają razem z jego orbitą

Przez dekady Merkury uchodził za wyjątek od reguły: wszystkie inne planety Układu Słonecznego z własnym polem magnetycznym mają pasy radiacyjne, on — jak sądzono — nie. Nowa analiza archiwalnych danych sondy MESSENGER pokazuje, że to nieprawda. Merkury ma własny, migający pas naładowanych cząstek, który pojawia się i znika w rytm jego bardzo wydłużonej orbity.

Planeta, która nie powinna mieć własnych pasów Van Allena

Ziemia, Jowisz, Saturn, Uran i Neptun — wszystkie te planety mają pola magnetyczne wystarczająco silne, by uwięzić energetyczne elektrony pochodzące z wiatru słonecznego w strukturach znanych z Ziemi jako pasy Van Allena. Merkury od dawna wydawał się wyjątkiem. Jego pole magnetyczne ma zaledwie około jednego procenta siły ziemskiego, a że planeta krąży bardzo blisko Słońca, wiatr słoneczny uderza w nią z siłą od sześciu do trzydziestu razy większą niż w przypadku Ziemi, a pole magnetyczne samej gwiazdy jest w tej okolicy od czterech do dziesięciu razy silniejsze. W efekcie sądzono, że magnetosfera Merkurego jest zbyt często rozrywana przez wiatr słoneczny, by mogła stabilnie przechowywać naładowane cząstki.

Szum w danych sondy MESSENGER zdradza sekret

Zespół z University of Michigan Engineering i University of California, Berkeley, doszedł do odkrycia niemal przypadkiem, przeglądając na nowo dane sondy MESSENGER, która krążyła wokół Merkurego w latach 2011–2015. Instrument sondy przeznaczony do pomiaru promieniowania gamma i neutronów — a więc do badania składu skorupy planety — od czasu do czasu rejestrował sygnał zakłócający: promieniowanie rentgenowskie powstające, gdy metalowa obudowa detektora była uderzana przez podwyższone dawki energetycznych elektronów.

To zanieczyszczenie danych okazało się kluczem do odkrycia. Śledząc, kiedy i jak często sygnał ten się pojawiał w konkretnych kanałach pomiarowych, naukowcy byli w stanie ustalić, kiedy i gdzie wokół Merkurego formował się pas radiacyjny. Wyniki porównano następnie z symulacjami komputerowymi ruchu naładowanych cząstek w polu magnetycznym planety, co pozwoliło zrozumieć mechanizm powstawania i zaniku tej struktury.

Pulsujące pole magnetyczne

Kluczem do zagadki okazał się wydłużony, eliptyczny kształt orbity Merkurego. Gdy planeta znajduje się dalej od Słońca, ciśnienie wiatru słonecznego słabnie, a pole magnetyczne Merkurego może swobodnie się rozszerzyć — powstaje wtedy więcej przestrzeni, w której energetyczne elektrony mogą zostać uwięzione i utworzyć pas radiacyjny. Gdy planeta zbliża się do Słońca, pole magnetyczne zostaje ściśnięte, a uwięzione wcześniej cząstki są wypychane w przestrzeń kosmiczną lub uderzają w powierzchnię planety.

Zgodnie z ustaleniami zespołu pas radiacyjny obecny jest u Merkurego mniej więcej w połowie przypadków, gdy planeta znajduje się w dalszej części swojej orbity, i tylko w około 20 procentach przypadków bliżej Słońca. Pojedynczy epizod trwa zwykle od ośmiu do dwunastu godzin, choć zdarza się, że utrzymuje się nawet przez kilka ziemskich dni. Jak podkreśla współautor badania Weijie Sun z Space Sciences Laboratory na Berkeley, ekstremalne zjawiska pogody kosmicznej, uznawane na Ziemi za rzadkość, na Merkurym są normą — co czyni tę planetę naturalnym laboratorium do badania promieniowania także wokół innych ciał krążących blisko swoich gwiazd, w tym niektórych egzoplanet.

Ważna wskazówka dla sondy BepiColombo

Odkrycie ma praktyczne znaczenie już w tym roku. Wspólna misja Europejskiej Agencji Kosmicznej i japońskiej agencji JAXA, sonda BepiColombo, ma wejść na orbitę wokół Merkurego w listopadzie. Naukowcy nie wiedzą jeszcze, na ile intensywne jest promieniowanie w nowo odkrytym pasie — dane z MESSENGER były wyłącznie pośrednie — ale nowe wyniki pozwolą zespołowi misji zaplanować, kiedy wyłączać czułe instrumenty pomiarowe, a kiedy włączać te przeznaczone do bezpośrednich pomiarów poziomu promieniowania. Jak zauważa współautor Ryan Dewey z University of Michigan, świadomość istnienia tego pasa pozwoli lepiej zaprojektować przyszłe misje do Merkurego i odpowiednio zabezpieczyć ich instrumenty.

Źródła:

Główne:

• University of Michigan News, Mercury has part-time radiation belts,
• Zhao, J., Dewey, R. i in., Dynamic electron radiation belt at Mercury controlled by solar wind driving,

Kontekstowe:

• Phys.org, Mercury reveals short-lived radiation belts during its swing farther from the sun

Opracowanie: Agnieszka Nowak