Στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, έχουν γίνει πολυάριθμες παρατηρήσεις οι οποίες αποδεικνύουν ότι ο Δίας είναι μία ισχυρή πηγή σχετικιστικών ηλεκτρονίων στην ηλιόσφαιρα. Το Pioneer 10 ήταν η πρώτη αποστολή που ανίχνευσε ηλεκτρόνια με ενέργειες της τάξης των MeV σε μεγάλες αποστάσεις από τον πλανήτη, οι οποίες στη συνέχεια επιβεβαιώθηκαν από όλες τις υπόλοιπες αποστολές που πέρασαν από τον πλανήτη. Οι εντάσεις αυτών των ηλεκτρονίων είναι τόσο υψηλές, ώστε κυριαρχούν των ροών των κοσμικών ακτίνων μέχρι περίπου και τα 30 MeV, σε αποστάσεις έως και 10 A.U. από τον Ήλιο, παρόλο που ο Δίας είναι σημειακή πηγή για την ηλιόσφαιρα. Τα διαφυγόντα σχετικιστικά ηλεκτρόνια από το Δία έχουν ανιχνευτεί σε χρονικές κλίμακες που είναι χαρακτηριστικές για το μαγνητοσφαιρικό του σύστημα, οι κυριότερες εκ των οποίων είναι τα 40 λεπτά, οι 5 ώρες και οι 10 ώρες. Οι τελευταίες δύο περιοδικότητες συνδέονται με εγχύσεις ηλεκτρονίων στην εξωτερική μαγνητόσφαιρα του Δία, οι οποίες σχετίζονται με τη μισή και την πλήρη περιστροφή του πλανήτη, αντίστοιχα. Ο ηλιακός άνεμος αλληλεπιδρά με τον πλανήτη, και μεταφέρει με τη σειρά του την δική του περιοδικότητα μερικών εβδομάδων στη διαφυγή ηλεκτρονίων, χαρακτηριστική για την περιστροφή του Ήλιου και την επαναληπτικότητα των Συμπεριστρεφόμενων Περιοχών Αλληλεπίδρασης (Corotating Interaction Regions-CIRs).
Ο κύριος στόχος αυτής της μελέτης, είναι να διαπιστώσουμε αν και ο Κρόνος αποτελεί πηγή σχετικιστικών ηλεκτρονίων για την ηλιόσφαιρα, και μέσω των αποτελεσμάτων μας να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τις πηγές δημιουργίας υψηλοενεργειακών ηλεκτρονίων στις εξωτερικές μαγνητόσφαιρες των δύο γιγάντιων πλανητών, αλλά και τους μηχανισμούς διαφυγής τους στην ηλιόσφαιρα. Η συγκριτική μελέτη των δύο πλανητών μοιάζει λογική, εφόσον αυτοί μοιράζονται παρόμοια χαρακτηριστικά σχετικά με τη γρήγορη περιστροφή τους και τη δυναμική των μαγνητοσφαιρών τους. Για το σκοπό αυτό, αναλύθηκαν μετρήσεις ηλεκτρονίων από το όργανο LEMMS του Cassini, το οποίο μετράει ηλεκτρόνια σε ενέργειες 18 keV-1 MeV και 0.1–20 MeV, τόσο για το fly-by του διαστημοπλοίου από το Δία, όσο και για όλη την παραμονή του στον Κρόνο.
Επιβεβαιώνουμε προηγούμενες μετρήσεις που δείχνουν ότι ο Δίας είναι σημαντική πηγή σχετικιστικών ηλεκτρονίων για την ηλιόσφαιρα. Τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από τον πλανήτη εμφανίζουν στο σήμα τους τις γνωστές χαρακτηριστικές περιοδικότητες των 40 λεπτών, των 5 ωρών και των 10 ωρών. Ωστόσο, η μελέτη μας ανέδειξε ακόμα μία περιοδικότητα διαφυγόντων ηλεκτρονίων, ίση με 2-3 ημέρες, η οποία φαίνεται να σχετίζεται με την συχνότητα με την οποία η μαγνητόσφαιρα του Δία γεμίζει και στη συνέχεια αποσυμπιέζεται-μέσω της μαγνητικής επανασύνδεσης-από το πλάσμα που παρέχει η Ιώ, ένα ηφαιστειακό φεγγάρι του Δία.
Όσον αφορά τον Κρόνο, ανιχνεύσαμε ελάχιστες περιπτώσεις διαφυγής σχετικιστικών ηλεκτρονίων, οι οποίες επιπλέον χαρακτηρίζονται από πολύ
χαμηλές ροές. Το αποτέλεσμα αυτό υποδεικνύει ότι ο Κρόνος πιθανότατα δεν αποτελεί σημαντική πηγή σχετικιστικών ηλεκτρονίων στην ηλιόσφαιρα. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει, ότι ο μηχανισμός που συνδέεται με τις οιονεί περιοδικές εγχύσεις υψηλοενεργειακών ηλεκτρονίων στην εξωτερική μαγνητόσφαιρα του Κρόνου με μία περίοδο περίπου 60-70 λεπτών, δεν μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική διαφυγή αυτών των ηλεκτρονίων στην ηλιόσφαιρα. Έχοντας υπόψην τη σύγκριση Δία/Κρόνου, αυτό το εύρημα μπορεί επίσης να σημαίνει ότι οι οιονεί περιοδικές εγχύσεις παρόμοιας φύσης που εκδηλώνονται στο Δία, με περίοδο περίπου 40 λεπτών, δεν μπορεί να είναι υπεύθυνες για την έντονη διαφυγή υψηλοενεργειακών ηλεκτρονίων που ανιχνεύεται σε προηγούμενες μελέτες, αλλά και στη δική μας ανάλυση. Αντίθετα, η μαγνητική επανασύνδεση που οδηγεί στην αποσυμφόρηση της μαγνητόσφαιρας από το πλάσμα της Ιούς, ίσως είναι ένας βασικός μηχανισμός που απελευθερώνει στην ηλιόσφαιρα σχετικιστικά ηλεκτρόνια κάθε λίγες ημέρες, με την διαδικασία αυτή να διαμορφώνεται και από παράγοντες που σχετίζονται με την περιστροφή του πλανήτη, αλλά και με την δυναμική του ηλιακού ανέμου. Ένα άλλο ενδιαφέρον εύρημα που προέκυψε από τη μελέτη μας, είναι η πιθανή επιτάχυνση ηλεκτρονίων σε σχετικιστικές ενέργειες στο κρουστικό κύμα του Δία, το οποίο πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω με ανεξάρτητες μετρήσεις, καθώς η παραγωγή υπερσχετικιστικών ηλεκτρονίων σε πλανητικά κρουστικά κύματα δεν έχει προβλεφθεί θεωρητικά από μεγάλο πλήθος μελετών. Με βάση τα συμπεράσματά μας, φαίνεται ότι η μεγάλη διαφοροποίηση στη διαφυγή σχετικιστικών ηλεκτρονίων στους δύο πλανήτες, οφείλεται μάλλον στην πηγή δημιουργίας αυτών των ηλεκτρονίων και όχι στο μηχανισμό διαφυγής τους.
(EL)
Over the past few decades, numerous observations have provided undisputed evidence that Jupiter is a major source of relativistic electrons in the heliosphere. Pioneer 10 was the first spacecraft to ever detect such particles in the MeV range at large distances from Jupiter, followed by similar detections from every subsequent spacecraft passing by or orbiting the planet. Despite Jupiter being a point source in the heliosphere, these electrons’ intensities are so high that they dominate the galactic cosmic rays’ fluxes up to about 30 MeV, within distances up to 10 A.U. away from the Sun. Modulations of electrons escaping Jupiter have been detected in various time scales that are characteristic to its magnetospheric system, the most important ones being 40 minutes, 5 hours and 10 hours. The 5 hours and 10 hours periodicities are linked to electron injections in the outer magnetosphere, which are related to the planet’s half and full rotation, respectively. As the solar wind interacts with Jupiter, it transfers its own periodicity of about a few weeks to the electrons’ escape, a time period characteristic of the Sun’s rotation, as well as the recurrence of the Corotating Interaction Regions (CIRs).
The main goal of this study is to examine if Saturn is also a source of relativistic electrons in the heliosphere, to identify the sources of high energy electrons in the outer magnetospheres of the two giant planets and their escaping mechanism towards the heliosphere. A comparative study of the two planets is reasonable, since they share some common dynamic in their fast rotation and their magnetospheric fields. To this end, an analysis was performed on data obtained from Cassini’s LEMMS, which measures electrons in the 18 keV – 1 MeV and 0.1 – 20 MeV energy ranges, during the spacecraft’s Jupiter flyby, as well as throughout its stay at Saturn.
We confirm previous findings indicating that Jupiter is a major source of relativistic electrons in the heliosphere. Electrons escaping the planet were detected in the aforementioned characteristic periodicities of 40 minutes, 5 hours and 10 hours. However, our analysis revealed an additional periodicity of about 2-3 days, which appears to be closely related to the frequency of the loading and reconnection-driven unloading of plasma in Jupiter’s magnetosphere, provided by Io, one of its volcanic moons.
As far as Saturn is concerned, we identified very few cases of relativistic electrons escaping its magnetosphere, with their relevant fluxes being considerably low. This result is an indication that Saturn is most likely not an important heliospheric electron source to be taken into account. As a result, the mechanism associated with quasi periodic injections of high energy electrons observed at Saturn with a period of approximately 60-70 minutes may not be sufficient to lead to a substantial escape of such electrons in the heliosphere. From a comparative planetology perspective, this finding may also imply that Jupiter’s quasi periodic injections of a similar nature (but with a period of 40 minutes), may not account
for the high energy escaping electrons identified in the literature and in our work. Instead, reconnection leading to the unloading of Iogenic plasma may actually be a key mechanism for the release of relativistic electrons in the heliosphere every few days, with additional processes regulating this escape at rotational or solar wind time scales. Another significant finding of our analysis is the possible acceleration of electrons to relativistic energies in Jupiter’s bow shock, which must be further investigated by utilizing independent measurements, as the production of ultra-relativistic electrons in planetary shock waves is far from past or recent theoretical predictions. Based on our results, it appears that the significant differentiation with regards to the escape of relativistic electrons from the two planets is not a result of the electrons’ escape mechanism, but rather their source.
(EN)
Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
