«Хаббл» впервые обнаружил свидетельства атмосферы из водяного пара на спутнике Юпитера Ганимеде

Ганимед — любопытнейший объект для исследований. Это крупнейший из всех спутников планет Солнечной системы. По размеру он превосходит Меркурий, хотя легче каменистой планеты более чем вдвое. А в сравнении с далеко не маленькой Луной этот объект вовсе кажется колоссальным — он массивнее естественного спутника в два с лишним раза. Благодаря таким внушительным характеристикам Ганимед похож скорее на планету: у него есть собственное магнитное поле и дифференцированные недра. Так что вопрос о наличии атмосферы, пусть и очень разреженной, возник давно.

Ее нашли при помощи наземных инструментов в 1972 году, во время покрытия Ганимедом звезды. Тогда приповерхностное давление на этом спутнике оценили в 0,1 паскаля. Тем не менее всего через семь лет данные с пролетающего мимо системы Юпитера аппарата «Вояджер-1» поубавили энтузиазм астрономов. Инструменты зонда определили верхнюю границу концентрации молекул у поверхности Ганимеда, характерную для давления газа не более чем в 2,5 микропаскаля. А это уже без малого на пять порядков меньше вещества. Уточнение тем ценнее, что сделано оно благодаря измерениям в дальнем ультрафиолетовом диапазоне, а не в видимом свете, который дает значительно более ясную картину.

Вплоть до 1995 года новую информацию об атмосфере Ганимеда получить не удавалось. Но Космический телескоп имени Хаббла предоставил новые данные. Он обнаружил слабую концентрацию молекулярного кислорода (O2), укладывающуюся в пределы, которые установил ранее «Вояджер». Уточнить эти измерения удалось спустя три года, когда околоземный аппарат получил новые инструменты. Тогда же выяснилась небольшая странность: некоторые спектральные линии выходили за пределы, характерные для молекулярного кислорода.

Интерпретируя эти результаты, ученые решили, что часть газа над поверхностью Ганимеда представляет собой атомарный кислород. Эта разреженная атмосфера пополняется за счет высокоэнергетических частиц солнечного ветра, проникающих через магнитосферу спутника и выбивающих молекулы или атомы из водяного льда. Водород очень легкий и почти сразу улетучивается, а вот кислород успевает ненадолго задержаться. Его концентрации достаточно, чтобы часть электронов, захватываемых линиями магнитных полей Ганимеда и Юпитера, возбуждала отдельные атомы, которые, в свою очередь, испускали фотоны. Собственно говоря, по этим полярным сияниям в ультрафиолетовом диапазоне «Хаббл» и «увидел» искомый кислород.

Однако международная команда под руководством шведского астрофизика Лоренца Рота (Lorenz Roth) решила изучить вопрос несколько глубже. В своих изысканиях ученые объединили архивные данные с двух разных инструментов «Хаббла», а также сравнительно свежие наблюдения 2018 года — и проанализировали их вместе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy. Авторами научной работы стали специалисты из Королевского технологического (Швеция) и Юго-западного исследовательского института (США), а также Кельнского (Германия) и Льежского (Франция) университетов.

Более детальный взгляд на внушительный объем спектральных измерений и снимков в ультрафиолетовом диапазоне позволил специалистам уточнить состав атмосферы Ганимеда. Помимо молекулярного кислорода, в ней есть водяной пар — именно его заметил «Хаббл» в 1998 году. Но тогда ученым не хватило данных, чтобы точно это установить, так что они выбрали более вероятный вариант (атомарный кислород). Этот вывод был предпочтительнее еще потому, что предложенный механизм газообразования — выбивание молекул и атомов из водяного льда — не может объяснить наличие пара в атмосфере.

Но благодаря большему количеству данных, которые еще и собраны во время продолжительных наблюдений, команда Рота уверена: у поверхности Ганимеда сравнительно много пара, причем появляется он там в результате сублимации воды изо льда. Дело в том, что в течение местных суток температура поверхности крупнейшего спутника Юпитера колеблется в значительных пределах. На освещенной Солнцем стороне складываются условия, когда тепла становится достаточно для перехода некоторых молекул воды из твердого вещества в газ. Нет, плюсовой температуры там никогда не бывает, но в условиях, близких к абсолютному вакууму, этот процесс начинается и всего при ста кельвинах.

Это открытие здорово пополняет копилку знаний человечества о ледяных лунах Юпитера, особенно в свете скорого запуска миссии JUICE. Задачей этого аппарата, создаваемого Европейским космическим агентством, станет изучение как самого газового гиганта, так и трех из Галилеевых спутников: Ганимеда, Каллисто и Европы. Старт намечен на 2022 год, а начало исследовательской кампании — на 2029-й. Интерес ученых к крупнейшим спутникам Юпитера объясняется невероятно благоприятными для возникновения жизни условиями на них. Так, у Ганимеда и Европы наличие подповерхностного океана жидкой воды подтверждено с большой достоверностью, а у Каллисто его подозревают.