Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 18 (vyšlo 3. května, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Galileo – plazmové vlny na Jupiteru

Marek Jasanský

V roce 1989 vypustila NASA družici, která měla zkoumat Jupiter a jeho satelity. Pojmenovala ji Galileo po hvězdáři, který dalekohledem vlastní konstrukce v 17. století Jupiter pozoroval a objevil i jeho čtyři největší měsíce – Io, Europu, Ganymedes a Callisto. Družice kroužila okolo Jupiteru čtrnáct let, až 21. 9. 2003 shořela v jeho atmosféře. Výčet všeho, co na Jupiteru a jeho okolí objevila a  prozkoumala dalece převyšuje rámec jednoho čísla bulletinu. Pojďme se však alespoň podívat na výzkum plazmatu sondou Galileo v okolí největší planety sluneční soustavy. Proč právě plazma? Je to skupenství, ve kterém se nachází přes 99 % veškeré hmoty ve vesmíru. Nicméně, a je to logické, populární astronomické články se při popisu jiných planet zabývají spíše věcmi, které mají svou analogii na Zemi (například atmosféra). Plazma tak zůstává trochu v ústraní.

Družice Galileo v NASA

Družice Galileo v NASA.

Vlny v plazmatu - v plazmatu vznikají jak nízkofrekvenční vlny související s pohyby iontů, tak vysokofrekvenční vlny související s pohyby elektronů. Oba komplexy vln obsahují řadu tzv. modů.

Nízkofrekvenční komplex vln - především jde o magnetoakustické vlny, jakousi obdobu zvuku v plazmatu. Vlny jsou anizotropní, což je způsobeno přítomností magnetického pole. Každá vlnoplocha je trojitá, je tvořena tzv. rychlou (F), pomalou (S) a Alfvénovou (A) vlnou.

Vysokofrekvenční komplex vln - elektromagnetické vlny šířící se plazmatem. V přítomnosti magnetického pole jsou anizotropní. Ve směru podél pole se šíří tzv. R a L vlna (pravotočivá a levotočivá), ve směru kolmém na pole O a X vlna (řádná a mimořádná).

Plazmová frekvence elektronů - charakteristická frekvence v plazmatu, pod kterou se nemohou šířit řádné elektromagnetické vlny. Při nižších frekvencích totiž energii vlny přebírají oscilace elektronů, vratnou silou je Coulombova elektrická síla vznikající vychýlením souboru elektronů oproti souboru iontů. Měřením plazmové frekvence lze určit koncentraci plazmatu.

Cyklotronní frekvence - frekvence spirálovitého (Larmorova, gyračního) pohybu elektronů kolem magnetických silokřivek. Důležitá je tzv. cyklotronní rezonance, při které je vlna absorbována na této frekvenci. Z cyklotronní rezonance lze určit magnetické pole plazmatu.

Horní hybridní frekvence - frekvence nad kterou se nemůže šířit mimořádná elektromagnetická vlna. Při této frekvenci dochází k tzv. horní hybridní rezonanci, při které elektrony oscilují na frekvenci dané kombinací plazmové a cyklotronní frekvence. Vratnou silou je jak Coulombova síla, tak Lorentzova síla způsobující gyraci. Z hodnoty horní hybridní frekvence lze určit koncentraci plazmatu a indukci magnetického pole.

Hvizdy - nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (300 Hz až 30 kHz) šířící se podél magnetických silokřivek. Charakteristické je krátkodobé trvání s postupně klesající frekvencí vlny. Jde o modifikaci R vln. Poprvé byly pozorovány v kanálech blesků na Zemi Barkhausenem v roce 1919.

Sbor - vlnění vznikající v magnetosféře interakcí elektronů rotujících po spirálách kolem magnetických siločar s plazmatem. Spektrální charakteristika, která dává tomuto záření jeho jméno, je řadou převážně zvyšujících se tónů, které zní jako sbor švitořících ptáčků. Tyto zvyšující se tóny trvají velmi krátce, typicky jen 0,1÷1,0 sekundy.

Plazma

Nejprve připomeňme, co to plazma je. Při vysokých teplotách dochází k ionizaci molekul a atomů a v plynech se objevují ionty a elektrony. Vzniká prostředí s volnými nosiči nábojů, o kterém mluvíme jako o plazmatu, pokud splňuje následující dvě podmínky:

  1. Celý soubor částic je elektricky neutrální, tzn., že celkový náboj všech iontů a elektronů je nulový.
  2. Částice vykazují kolektivní chování. Tím myslíme, že plazma jako celek je schopno reagovat na elektrická nebo magnetická pole, případně tato pole i samo vyvolávat.

Přístroje na Galileu

Na Galileu bylo dvanáct přístrojů. Podívejme se nyní blíže na čtyři z nich, které sloužily právě k výzkumu plazmatu.

Družice Galileo v NASA

Rozmístění přístrojů na družici Galileo.

Plazmový subsystém

Tento přístroj měl na starosti zejména vyhledávání a zkoumání zdrojů plazmatu v magnetosféře Jupiteru a sledování interakce vnějšího plazmatu s měsíci. Skládal se z pásků plechu stočených do oblouku. Pásky byly umístěny za sebou a rozděleny na sedm segmentů. Tvořily tak jakýsi elektrický kondenzátor. Otvorem ve středu oblouku vlétávaly do přístroje elektricky nabité částice a po dopadu změnily náboj a s ním i snadno měřitelné napětí na jednom ze segmentů kondenzátoru. Podle toho, na kterém segmentu se částice zachytila, přístroj rozeznal směr, ze kterého částice přiletěla. Takto zkonstruovaný přístroj monitoruje pouze jednu polorovinu. Tím, že byl umístěn v ose rotace družice, však mohl zachytávat částice z celého prostoru.

Detektor aktivních částic

Přístroj měl na starosti měření energie, složení, prostorového rozdělení a stability částic na Jupiteru. Jednalo se o dva detektory umístěné na podstavci, které mohl krokový motor otáčet do osmi různých poloh. Do detektorů mohly částice vlétat z obou stran. Jeden z detektorů zkoumal energii zachycených částic, druhý složení zachycených iontů (uměl rozpoznat atomy s protonovým číslem 1 až 26, tedy od vodíku po železo). Senzory v detektorech se skládaly z úplně ochuzených polovodičových desek. Po zachycení částice se změnila vodivost těchto desek a změnu vodivosti zpracovaly vyhodnocovací přístroje.

Detektor aktivnich castic - foto

Detektor aktivních částic.

Magnetometr

Magnetometr měl na starosti výzkum magnetosféry Jupiteru i jeho měsíců. Skládal se ze dvou systémů, které se od sebe odlišovaly umístěním na družici a citlivostí měření. Systémy byly tvořeny třemi cívkami umístěnými kolmo na sebe, což umožňovalo měřit vektory magnetické indukce v ortogonální soustavě. Proměnlivé magnetické pole indukuje v cívkách proud, který je pak měřen ampérmetrem. Oba systémy byly, kvůli potlačení vlivu rušení od magnetických polí generovaných přístroji na družici, umístěny na zvláštním rameni 5 m a 11,6 m daleko od středu družice.

Cívka magnetometru

Cívka magnetometru.

Detektor plazmových vln

Tento přístroj zkoumal elektromagnetické vlny v plazmatu. Byl tvořen dipólovou anténou umístěnou na konci magnetometrického ramena a dvěma cívkami. Dipólová anténa měřila elektrické pole, cívky magnetické pole. Jedna z cívek byla orientována kolmo na dipól, druhá rovnoběžně s ním.

Výzkumy provedené sondou Galileo

A nyní se již dostáváme k tomu, co sonda objevila u jednotlivých měsíců.

Io

Galileo detekoval ve vzdálenosti 950 km od povrchu měsíce ionty těchto látek: oxidu siřičitého, síry a kyslíku. Ionty se musely do této vzdálenosti dostat pouze díky velmi silné vulkanické aktivitě na povrchu Ia. O tom, že Io je vulkanicky aktivní se ví již dlouho, předchozí sondy prolétávající okolo tohoto měsíce (VoyagerPioneer) však objevily částice vulkanického původu nejdále 60 km od povrchu. Vědci usuzují, že za pouhé čtvrt století se vulkanická aktivita na Iu musela enormně zvýšit.

Druhým objevem jsou dva proudy elektronů mající jeden konec v blízkosti Ia a druhý přímo v Jupiteru. Oba proudy jsou vedle sebe, liší se jen směrem pohybu elektronů (jeden teče od Jupiteru k Iu, druhý naopak). Vědci předpokládají, že proud tekoucí k Jupiteru přináší do jeho atmosféry výkon o jedné miliardě wattů. O původu těchto proudů se však stále nic neví.

Europa

Europa má magnetosféru a lze v ní objevit mnoho elektromagnetických vln. Mezi ně patří například hvizdy. Jde o nízkofrekvenční elektromagnetické záření vznikající spirálovitým pohybem elektronů po magnetických siločarách od jednoho pólu Europy k druhému. Tón, který je přitom vydáván, se snižuje s délkou dráhy, kterou elektron urazí. Hvizdy vznikají i v magnetosféře Země. Z elektromagnetických vln stojí za zmínku ještě záření na frekvencích okolo 10 kHz. Z hodnoty horní hybridní rezonance lze vyčíst koncentraci plazmatu v okolí Europy a lze i usoudit, že plazma je zde relativně stabilní.

Ganymedes

Sonda objevila, že Ganymedes má malou magnetosféru. Navíc v této magnetosféře naměřila elektronové synchrotronní záření a tzv. sbor. Elektronové synchrotronní záření na Zemi přispívá ke vzniku polárních září. Sbor můžeme také najít v magnetosféře Země. Jde o záření vznikající mezi velmi intenzivními plazmovými vlnami.

Callisto

Callisto je od Jupiteru již poměrně dost vzdálen a interakce s jeho magnetosférou je slabá. Vlny naměřené v okolí tohoto měsíce se jeví jako elektrostatický šum. Nelze však vyloučit, že mají souvislost s okolní magnetosférou. Koncentrace plazmatu v okolí Callista je 100 částic na centimetr krychlový, což je více než v okolí Jupiteru. Callisto by tedy také mohl být zdrojem plazmatu, ačkoliv není zdaleka tak aktivní jako Io.

Jupiter se 4 mesíci

Fotomontáž – Jupiter a jeho měsíce Io, Europa, Ganymedes, Callisto.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage