المجال المغناطيسي والغلاف المغناطيسي لكوكب المشتري

كيف يتم تحديد انبعاث أشعة الراديو من كوكب المشتري؟

كان كوكب المشتري هو أول كوكب تم العثور عليه (في عام 1955) ليكون مصدراً للإشعاع عند أطوال موجات الراديو، تم تسجيل الإشعاع على تردد 22 ميغا هرتز (يقابل طول موجي 13.6 متر أو 1.36 ديكاميتري) على شكل انفجارات ضوضاء ذات شدة ذروة تكون أحياناً كبيرة بما يكفي لجعل كوكب المشتري ألمع مصدر في السماء عند هذا الطول الموجي، باستثناء الشمس في أكثر مراحلها نشاطاً.

شكلت رشقات الضوضاء الراديوية من ثلاث مناطق متميزة أول دليل على مجال جوفيان المغناطيسي، وكشفت الملاحظات اللاحقة بأطوال موجية أقصر (ديسي متر) أن كوكب المشتري هو أيضاً مصدر انبعاث راديوي ثابت، لقد أصبح من المعتاد الإشارة إلى هذين النوعين من الانبعاثات من حيث أطوال موجاتهما المميزة (إشعاع ديكامتر وإشعاع ديسيمتر).

تفسير انبعاث الأشعة الراديوية من كوكب المشتري:

يتم تفسير المكون غير الحراري للإشعاع المستمر بالديسيمتر على أنه انبعاث السنكروترون، (أي الإشعاع المنبعث من الإلكترونات عالية السرعة للغاية، التي تتحرك في المجال المغناطيسي للكوكب داخل منطقة حلقية أو دائرية الشكل تحيط بالمشتري) وهي ظاهرة تشبه إلى حد بعيد تلك أحزمة فان ألين الأرض، يحدث الحد الأقصى للانبعاثات على مسافة نصف قطر كوكبي من مركز الكوكب، وقد تم اكتشافه من الأرض عند 178 إلى 5000 ميغا هرتز، ومن خلال مركبة كاسيني المدارية عند 13800 ميغا هرتز، وهو تردد التشغيل لجهاز الرادار الخاص بالمركبة الفضائية.

تختلف شدة البث ومستوى الاستقطاب (المستوى الذي تكمن فيه اهتزازات البث الراديوي بشكل تفضيلي) مع نفس الفترة، يتم تفسير كلا التأثيرين إذا كان محور المجال المغناطيسي للكوكب يميل بحوالي 10 درجات إلى محور الدوران، فترة هذه الاختلافات هي فترة الدوران المعينة بالنظام الكوكبي الفلكي (III).

تمت دراسة البث الراديوي المتقطع عند أطوال موجات ديكامتر من الأرض في نطاق يمكن الوصول إليه من 3.5 إلى 39.5 ميغا هرتز، وهي خالية من الأيونوسفير للأرض، والذي يمنع الترددات المنخفضة من الوصول إلى السطح، كانت تجربة الموجات الراديوية على المركبة الفضائية فوييجر قادرة على اكتشاف الانبعاثات من كوكب المشتري حتى 60 كيلوهرتز، وهو ما يقابل طول موجة يبلغ 5 كيلومترات (3 أميال)، تُظهر قوة الإشارة الراديوية وتواتر عواصف الضوضاء اعتماداً زمنياً ملحوظاً أدى إلى الكشف المبكر عن ثلاثة مصادر أو مناطق انبعاث، وتم تحديد فترة دوران النظام الثالث في البداية من خلال تواتر هذه المصادر.

المجال المغناطيسي والغلاف المغناطيسي لكوكب المشتري:

إن الانبعاثات الراديوية غير الحرارية هي النتيجة الطبيعية للجسيمات المشحونة المحاصرة التي تتفاعل مع المجال المغناطيسي للمشتري والغلاف الأيوني، أدى تفسير هذه الملاحظات إلى تعريف الخصائص الأساسية للمجال المغناطيسي لكوكب المشتري والغلاف المغناطيسي للكوكب، والتي ثبت أنها دقيقة بشكل ملحوظ من خلال الاستكشاف المباشر للمنطقة المجاورة لكوكب المشتري بواسطة المركبة الفضائية بايونير وفوييجر.

المجال المغناطيسي الأساسي للكوكب هو ثنائي القطب بطبيعته، يتم إنشاؤه بواسطة دينامو مغناطيسي مائي مدفوع بالحمل الحراري داخل الطبقات الخارجية الموصلة كهربائياً لداخل المشتري، تبلغ قوة المجال المغناطيسي حوالي 7.8 جاوس مقارنة بحوالي 0.5 جاوس على سطح الأرض، ويقابل محور ثنائي القطب المغناطيسي عُشر نصف قطر خط الاستواء للمشتري البالغ 71500 كيلومتر (44400 ميل) من محور دوران الكوكب، والذي يميل إليه بالفعل بمقدار 10 درجات، إن اتجاه المجال المغناطيسي لجوفيان هو عكس الاتجاه الحالي لحقل الأرض، بحيث تشير البوصلة الأرضية التي يتم أخذها إلى المشتري إلى الجنوب.

يسيطر المجال المغناطيسي على المنطقة المحيطة بالمشتري على شكل دمعة ممتدة، يواجه الجانب الدائري من الدمعة الشمس، حيث يصد حقل جوفيان الرياح الشمسية مكوناً صدمة قوسية على مسافة حوالي 3 ملايين كيلومتر (1.9 مليون ميل) من الكوكب، مقابل الشمس يمتد ذيل مغناطيسي هائل إلى مدار زحل على مسافة 650 مليون كيلومتر (404 مليون ميل)، وهو ما يقرب من مسافة كوكب المشتري من الشمس، تجعل هذه الأبعاد الغلاف المغناطيسي للمشتري أكبر هيكل دائم في النظام الشمسي، مما يجعل قطر الشمس قزماً يبلغ 1.4 مليون كيلومتر (870.000 ميل).

وداخل هذه المنطقة الضخمة يتم إنشاء النشاط الأكثر لفتاً للانتباه بواسطة القمر (Io)، يتدفق تيار كهربائي يقارب خمسة ملايين أمبير في أنبوب التدفق المغناطيسي الذي يربط بين المشتري وآيو، هذا القمر الصناعي هو أيضاً مصدر سحابة حلقية من الأيونات أو البلازما التي تحيط بمدارها.

تأتي الطاقة اللازمة لتشغيل هذا الغلاف المغناطيسي الضخم في نهاية المطاف من دوران الكوكب، والذي يجب أن يتباطأ وفقاً لذلك بمعدل ضئيل للغاية، تُجبر الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات التي تتصاعد على طول خطوط المجال المغناطيسي على التحرك حول الكوكب بنفس سرعة المجال، وبالتالي مع فترة دوران الكوكب نفسه.

نتائج المجال المغناطيسي في كوكب المشتري:

• الشفق القطبي: وهو تماماً كما تنتج الجسيمات المشحونة المحبوسة في أحزمة (Van Allen) الشفق القطبي على الأرض، عندما تصطدم بالغلاف الجوي العلوي بالقرب من القطبين المغناطيسيين، فإنها تفعل أيضاً على كوكب المشتري، نجحت الكاميرات الموجودة على المركبة الفضائية فوييجر وجاليليو في تصوير الأقواس الشفقية فوق البنفسجية على الجانب الليلي من كوكب المشتري، والتقط تلسكوب هابل الفضائي أيضاً صوراً للشفق القطبي فوق البنفسجي البعيد على جانب أيام الكوكب.

بالإضافة إلى ذلك سجلت الملاحظات الأرضية انبعاثات الأشعة تحت الحمراء من أيونات H3+ في كلا القطبين وصورت الشفق القطبي المصاحب، من الواضح أن البروتونات (أيونات الهيدروجين H +) من الغلاف المغناطيسي تدور بشكل حلزوني في الغلاف الأيوني للكوكب على طول خطوط المجال المغناطيسي، وتشكل أيونات H3+ المثارة عندما تصطدم في الغلاف الجوي، الذي يهيمن عليه الهيدروجين الجزيئي وينتج الانبعاث الناتج الشفق.

وهذا الشفق يمكن ملاحظته من الأرض على أطوال موجية، حيث يكون للميثان في الغلاف الجوي للمشتري نطاقات امتصاص قوية جداً، وبالتالي يمنع الخلفية من ضوء الشمس المنعكس، تظل علاقة الشفق القطبي فوق البنفسجي والأشعة تحت الحمراء والتفاعل التفصيلي لأنبوب تدفق (Io) مع الغلاف المتأين لكوكب المشتري.

• عمليات داخلية: يشكل الغلاف الجوي لكوكب المشتري جزءاً صغيراً جداً من الكوكب، تماماً مثل قشرة التفاح مقارنة بمحتوياته، ونظراً لأنه لا يمكن ملاحظة أي شيء بشكل مباشر أسفل هذه الطبقة الخارجية الرقيقة، يتم استخلاص استنتاجات غير مباشرة من الأدلة من أجل تحديد تكوين الجزء الداخلي من كوكب المشتري.

الكميات المرصودة التي يمكن للفلكيين العمل بها هي درجة حرارة الغلاف الجوي والضغط والكتلة ونصف القطر والشكل ومعدل الدوران وتوازن الحرارة واضطرابات مدارات الأقمار الصناعية ومسارات المركبات الفضائية، من هذه يمكن حساب الإهليجية (أو الانحراف عن الكرة المثالية) للكوكب وخروجه من الشكل الإهليجي، يمكن أيضاً التنبؤ بهذه الكميات الأخيرة باستخدام أوصاف نظرية أو نماذج للتوزيع الداخلي للمواد، ثم يمكن بعد ذلك اختبار هذه النماذج من خلال اتفاقها مع الملاحظات.