✨Từ quyển Sao Mộc

Từ quyển của Sao Mộc là khoang rỗng trong luồng gió mặt trời sinh ra bởi từ trường của hành tinh này. Mở rộng đến bảy triệu km theo hướng về phía Mặt Trời và rộng gần bằng quỹ đạo của Sao Thổ theo hướng ngược lại, từ quyển Sao Mộc là từ quyển lớn nhất và mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời, và về phương diện thể tích, là cấu trúc liên tục lớn nhất trong Hệ Mặt Trời sau nhật quyển. Rộng hơn và phẳng hơn so với từ quyển của Trái Đất, từ quyển Sao Mộc mạnh hơn một bậc độ lớn, với mômen từ mạnh gấp khoảng 18 nghìn lần. Như vậy, từ quyển của Sao Mộc được tạo hình do cả plasma của Io và sự tự quay của Sao Mộc, chứ không phải do gió mặt trời như với từ quyển của Trái Đất. Các dòng chuyển động mạnh của plasma trong từ quyển Sao Mộc tạo ra cực quang vĩnh cửu bao quanh vùng cực của hành tinh này, đồng thời sinh ra phát xạ vô tuyến biến đổi theo chu kỳ, khiến cho Sao Mộc trở thành một sao xung vô tuyến loại yếu. Cực quang Sao Mộc đã được quan sát ở gần như tất cả các dải phổ điện từ, bao gồm hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, cực tím và X-quang mềm.

Từ trường nội tại

Phần lớn từ trường của Sao Mộc, như của Trái Đất, được tạo ra bởi một dynamo trong lõi của hành tinh, được duy trì bằng dòng tuần hoàn của chất lỏng dẫn điện ở phần lõi ngoài. Nhưng trong khi lõi của Trái Đất chứa sắt và niken nóng chảy, lõi Sao Mộc lại gồm hydro kim loại. Từ trường Sao Mộc cũng có tứ cực từ, bát cực từ và các thành phần nhiều cực hơn, mặc dù chúng yếu hơn một phần mười lần thành phần lưỡng cực. Từ trường Sao Mộc quay ở tốc độ góc giống như vùng bên dưới bầu khí quyển của nó, với chu kỳ khoảng 9 h 55 m. Cường độ từ trường và cấu trúc của từ trường thay đổi không đáng kể, kể từ khi những đo đạc đầu tiên được thực hiện bởi chương trình Pioneer vào giữa năm 1970.

Kích thước và hình dạng

Từ trường trong lòng Sao Mộc ngăn cản gió mặt trời, dòng các hạt đã bị ion hóa được phát ra từ Mặt Trời, tương tác trực tiếp với khí quyển Sao Mộc, đẩy xa dòng gió mặt trời ra ngoài, tạo ra một khoang rỗng trong dòng chảy của gió mặt trời, được gọi là từ quyển, chứa các plasma không có nguồn gốc từ gió mặt trời. Nếu có thể nhìn thấy từ Trái Đất, từ quyển này sẽ to gấp năm lần trăng tròn trên bầu trời, dù nằm ở xa gấp 1700 lần. Phía trước biên từ (ở khoảng cách cỡ 80 đến 130 R_J tính từ tâm Sao Mộc về phía Mặt Trời) có cung sốc, là một vùng sóng xung kích được tạo ra do va chạm của gió mặt trời với từ quyển. Vùng nằm giữa cung sốc và biên từ được gọi là bao từ. Giống như trên Trái Đất, đuôi từ của Sao Mộc là kênh dẫn plasma từ Mặt Trời đi vào các vùng bên trong của từ quyển, để bị nóng lên và hình thành vành đai bức xạ ở khoảng cách nhỏ hơn 10 R_J tới tâm Sao Mộc.

Hình dạng của từ quyển Sao Mộc, như vừa mô tả, được duy trì bởi ba dòng chảy: dòng đuôi từ, là dòng chảy trung hòa điện theo sự tự quay của Sao Mộc trong phiến plasma; dòng đuôi, là dòng chảy ngược lại với chiều tự quay của Sao Mộc ở biên giới phía ngoài của đuôi từ; và dòng biên từ (còn gọi là dòng Chapman-Ferraro), là dòng chảy ngược với chiều tự quay của Sao Mộc ở phía biên từ gần Mặt Trời. Các ion này thoát khỏi khí quyển của Io, hình thành vòng xuyến plasma Io: một vòng xuyến plasma dày đặc và tương đối lạnh bay vòng quanh Sao Mộc, ở khoảng cách cỡ quỹ đạo của Io.

Do một số nguyên nhân — như khuếch tán và sự hoán đổi do bất ổn định — plasma dần dần thoát ra khỏi Sao Mộc. Khi plasma đi ra xa khỏi Sao Mộc, dòng chảy xuyên tâm tăng dần vận tốc, để duy trì chuyển động quay với vận tốc góc không đổi. Mật độ số hạt của plasma giảm từ mức 2000 cm⁻³ ở vòng xuyến plasma Io xuống còn 0,2 cm⁻³ ở khoảng cách 35 R_J. Ở phần giữa từ quyển, tại khoảng cách trên 20 R_J tới tâm Sao Mộc, plasma bắt đầu quay chậm hơn Sao Mộc. Trong lúc dòng plasma dày đặc và nguôi lạnh thoát ra ngoài, lại có dòng plasma nóng (nhiệt độ cỡ 20 keV (200 triệu K) hoặc cao hơn) và loãng di chuyển vào trong từ phần ngoài từ quyển. tạo ra vành đai bức xạ ở phần trong từ quyển Sao Mộc. Lý do chính gây ra hình dạng giống như đĩa là do lực ly tâm tác động lên vòng xuyến plasma sinh ra bởi Io quay cùng Sao Mộc và áp lực từ dòng plasma nóng đi vào, cả hai tác động đều có xu hướng kéo bẹt đường sức từ của Sao Mộc, tạo thành cấu trúc gọi là đĩa từ, ở khoảng cách trên 20 R_J từ tâm Sao Mộc. Lực Lorentz do tương tác của dòng điện này với từ trường hành tinh tạo ra lực hướng tâm, giữ cho plasma quay vòng cùng với Sao Mộc không thoát khỏi Sao Mộc. Tổng cường độ dòng điện xoáy ở phiến plasma xích đạo được ước lượng vào cỡ 90–160 triệu ampe. Sao Mộc, xét ở khía cạnh này, có thể được coi như một máy phát điện đơn cực. Khi Sao Mộc quay, tầng điện ly chuyển động so với trường lưỡng cực từ của nó. Vì mômen lưỡng cực từ hướng theo véc tơ vận tốc góc của chuyển động tự quay của Sao Mộc, Do đó, các cực tích điện âm còn vùng ở gần xích đạo tích điện dương. Vì từ quyển Sao Mộc chứa plasma có độ dẫn điện cao, mạch điện được hình thành và chạy qua nó. Dòng điện trực tiếp mạnh chạy trong đĩa từ xuất phát từ dải vĩ độ hẹp, khoảng ° so với các từ cực của Sao Mộc. Vùng hình tròn hẹp này ứng với vòng cực quang của Sao Mộc (xem thêm nội dung bên dưới). Dòng điện quay về chạy ở phần ngoài từ quyển, ở hoảng cách trên 50 R_J và đi vào tầng điện ly của Sao Mộc tại các cực, khép kín mạch điện. Tổng cường độ dòng điện xuyên tâm trong từ quyển Sao Mộc được ước lượng vào khoảng 60 triệu đến 140 triệu ampe. (1): gió mặt trời, (2): cung sốc, (3): biên từ, (4): dòng điện xoáy phương vị, (5): khối plasma được hình thành, (6): khối plasma bị đẩy ra, (7): Sao Mộc, (8): vòng xuyến plasma Io, (9): phiến plasma cùng quay, (10): đuôi từ và dòng phiến trung hòa.]] Vấn đề chính gặp phải khi giải thích động lực học của từ quyển Sao Mộc là sự vận chuyển plasma lạnh và đậm đặc từ vòng xuyến plasma Io, ở khoảng cách 6 R_J, ra phần ngoài từ quyển, ở khoảng cách 50 R_J.

Bức tranh giả định về sự hoán đổi của các khối plasma phần nào được xác nhận bởi các quan sát từ tàu vũ trụ Galileo. Tàu này đã phát hiện các vùng có mật độ plasma giảm đột ngột kèm theo từ trường tăng đột ngột ở phần trong từ quyển. Tuy nhiên cơ chế để vận chuyển plasma lạnh ra phía ngoài vẫn chưa được kiểm chứng bởi các quan sát.

Khi các khối chứa plasma lạnh của Io ra đến phần ngoài từ quyển, chúng trải qua quá trình tái kết nối, theo đó từ trường được tách khỏi plasma. Dòng plasma chảy về phía đuôi trong theo các đường sức từ mở được gọi là gió hành tinh.

Các sự kiện tái kết nối tương tự như những cơn bão từ thứ cấp (substorm) trong từ quyển Trái Đất. Trái lại, trong từ quyển Sao Mộc, năng lượng quay được dự trữ trong đĩa từ và được giải phóng khi các khối plasma tách khỏi nó. đặc biệt trong việc cung cấp các proton năng lượng cao. nó có thể mạnh hẳn lên trong thời kỳ có nhiều hoạt động Mặt Trời. Các bức xạ vô tuyến, từ cực quang, cũng như phát xạ xincrôtron từ vành đai bức xạ đều cho thấy sự tương quan với áp suất gió mặt trời, gợi ý rằng gió mặt trời có thể tác động vào tuần hoàn của plasma hoặc điều chỉnh một số quá trình vật lý bên trong từ quyển. Trong khi bức xạ cực quang đã được phát hiện ở hầu hết các dải phổ điện từ, gồm sóng vô tuyến điện đến tia X (lên đến 3 keV), chúng sáng nhất ở vùng phổ giữa hồng ngoại (bước sóng 3-4 μm và 7-14 μm) và các dải quang phổ cực tím sâu (bước sóng 80-180 nm). Như đã được đề cập ở các nội dung bên trên, các vòng cực quang chính được duy trì bởi các dòng điện tử cường độ cao được gia tốc bởi hiệu điện thế giữa plasma trong đĩa từ và tầng điện ly của Sao Mộc. Các điện tử mang theo dòng điện hướng từ trường, gây ra lực Lorentz làm plasma trong đĩa từ quay cùng với Sao Mộc. Năng lượng tổng cộng chảy vào tầng điện ly ở vào khoảng 10 đến 100 TW. Ngoài ra, dòng điện chạy trong tầng ly làm nóng tầng khí quyển này qua hiệu ứng gia nhiệt Joule. Công suất sinh nhiệt của hiệu ứng này lên đến 300 TW, gây ra bức xạ hồng ngoại mạnh từ cực quang của Sao Mộc, và đóng góp một phần vào việc làm nóng tầng nhiệt của Sao Mộc.

Các đốm cực quang gây ra bởi ba vệ tinh tự nhiên của Sao Mộc: Io, Europa và Ganymede. Các đốm này được sinh ra là do plasma bị quay chậm hơn khi ở gần các vệ tinh này, gây ra những dòng điện mạnh hơn nối từ các tầng điện ly của chúng đến tầng điện ly của Sao Mộc. Đốm sáng nhất gây ra bởi Io, vệ tinh này là nguồn cung cấp chủ lực cho plasma trong từ quyển (xem các nội dung ở bên trên). Đốm cực quang Io được cho là có liên hệ với các sóng Alfvén chạy trong các tầng điện ly của Sao Mộc và Io. Các đốm cực quang Europa và Ganymede mờ hơn nhiều, vì các vệ tinh này không phải là các nguồn sinh ra nhiều plasma. Plasma từ Europa và Ganymede có nguồn gốc từ sự thăng hoa nước đá trên bề mặt của chúng.

Một số điểm hoặc cung sáng thỉnh thoảng cũng xuất hiện bên trong các vòng cực quang chính. Các hiện tượng nhất thời này được cho là có liên hệ với tương tác của gió mặt trời. Phát xạ cực quang ở gần cực Sao Mộc tương tự như ở cực Trái Đất: cả hai đều xuất hiện khi các điện tử được gia tốc về phía hành tinh bởi một hiệu điện thế, trong quá trình tái kết nối các đường sức từ mặt trời với các đường sức từ của hành tinh. thumb|Phổ bức xạ vô tuyến của Sao Mộc, so sánh với bức xạ vô tuyến kilomét của bốn hành tinh có từ trường khác là Sao Thổ, Trái Đất, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Phần lớn các bức xạ này được cho là sinh ra bởi cơ chế Bất ổn định Maser Xiclotron, được hình thành ở gần vùng cực quang, nơi các điện tử dao động qua lại giữa hai cực. Các điện tử liên quan đến việc sinh ra các sóng vô tuyến có thể là những hạt mang dòng điện đi từ hai cực đến đĩa từ. Cường độ bức xạ vô tuyến của Sao Mộc thường biến đổi từ từ theo thời gian; tuy nhiên, thỉnh thoảng, và một cách định kỳ, Sao Mộc vẫn sinh ra các phát xạ bùng nổ ngắn và mạnh (gọi là bùng nổ S), làm che mờ các thành phần bức xạ khác. Tổng công suất phát xạ trong dải DAM là khoảng 100 GW, còn tổng công suất phát xạ của hai dải HOM và KOM là khoảng 10 GW. So với Sao Mộc, tổng công suất phát xạ của Trái Đất chỉ là 0,1 GW. Sự điều chế tuần hoàn này có thể liên quan đến sự bất đối xứng trong từ quyển Sao Mộc, gây ra bởi độ nghiêng của trục mômen từ so với trục quay của hành tinh, và bởi các dị từ ở tầng cao khí quyển Sao Mộc. Cơ chế vật lý của phát xạ vô tuyến ở Sao Mộc tương tự như trong sao xung vô tuyến. Chỉ khác nhau về độ lớn, Sao Mộc có thể được coi như một sao xung vô tuyến rất nhỏ. là các bức xạ hãm phát ra khi các điện tử tương đối tính bị bẫy ở bên trong vành đai bức xạ của hành tinh. Năng lượng của các điện tử tham gia vào phát xạ DIM là vào khoảng từ 0,1 đến 100 MeV, và các điện tử đóng góp nhiều nhất cho phát xạ DIM có năng lượng trong khoảng 1 đến 20 MeV. Các hạt trong vành đai bức xạ bắt nguồn từ phần ngoài từ quyển và được tăng tốc đoạn nhiệt khi chúng di chuyển vào phần trong từ quyển. Các dòng hạt này khá chuẩn trực và thay đổi theo chu kỳ quay của Sao Mộc, giống như bức xạ vô tuyến. Trong khía cạnh này, Sao Mộc cũng cho thấy sự giống nhau với sao xung. Quay quanh Sao Mộc ở gần xích đạo từ, các thiên thể này là nguồn phát sinh, đồng thời là nơi hấp thụ, plasma của từ quyển, với các hạt năng lượng cao đến từ từ quyển tác động làm thay đổi bề mặt của chúng. Các hạt năng lượng cao làm phún xạ vật liệu ra khỏi bề mặt các thiên thể, và làm thay đổi thành phần hóa học của các bề mặt thông qua quá trình xạ phân (radiolysis). Do plasma cùng quay với Sao Mộc, và quay nhanh hơn các thiên thể này, plasma tương tác nhiều hơn với phần bề mặt hướng ngược lại với chiều chuyển động quanh Sao Mộc, tạo ra sự bất đối xứng trên bề mặt các thiên thể. Ngoài ra, từ trường nội tại mạnh của các vệ tinh tự nhiên cũng đóng góp vào từ trường tổng cộng của Sao Mộc. Từ trường của hành tinh này ảnh hưởng mạnh mẽ đến chuyển động của các hạt nhỏ hơn cỡ micromét trong vành đai Sao Mộc, do các hạt này bị tích điện dưới tác động của bức xạ tử ngoại của Mặt Trời. Chúng chuyển động tương tự như những ion cùng quay với Sao Mộc. Sự cộng hưởng trong tương tác, giữa các hạt nhỏ chuyển động cùng quay với Sao Mộc và các hạt lớn hơn chuyển động theo quỹ đạo thông thường được chi phối bởi lực hấp dẫn, được cho là đã sinh ra vành đai hào quang nằm trong cùng của Sao Mộc (nằm ở khoảng giữa 1,4 và 1,71 R_J), chứa các hạt nhỏ hơn cỡ micromét chuyển động trên những quỹ đạo có độ nghiêng và độ lêch tâm lớn. Với các hạt xuất xứ từ những vành đai chính và di chuyển vào gần Sao Mộc, quỹ đạo của chúng bị thay đổi do cộng hưởng Lorentz theo tỷ lệ 3:2 ở khoảng cách 1,71 R_J, và bị tăng dần độ nghiêng và độ lệch tâm. Một cộng hưởng Lorentz khác xảy ra ở khoảng cách 1,4 R_J với tỷ lệ 2:1 cố định biên giới trong cùng của vành đai hào quang.

Tất cả các vệ tinh Galileo đều có bầu khí quyển mỏng với áp suất bề mặt trong khoảng 0,01 đến 1 nbar, bao gồm tầng điện ly với mật độ hạt điện tử ở khoảng 1000 đến 10000 cm⁻³. Sự tương tác giữa các vệ tinh lớn với dòng plasma quay cùng Sao Mộc tương tự như sự tương tác giữa gió mặt trời với các hành tinh phi từ tính như Sao Kim, mặc dù tốc độ quay của plasma thường thấp hơn tốc độ âm thanh (tốc độ của plasma trong khoảng từ 74 đến 328 km/s), ngăn cản sự hình thành cung sốc. Áp lực từ ​dòng plasma cùng quay với Sao Mộc liên tục đẩy khí ra khỏi khí quyển của các vệ tinh (đặc biệt là với Io), và một số nguyên tử của dòng khí bị đẩy ra tiếp tục bị ion hóa và gia nhập vào dòng plasma cùng quay với Sao Mộc. Quá trình này tạo ra các vòng xuyến khí và plasma trong vùng lân cận của các quỹ đạo vệ tinh, trong đó vòng xuyến của Io là nổi bật nhất.

thumb|left|Các vòng xuyến plasma sinh ra bởi Io và Europa. Trên hình, các mũi tên với ký hiệu ENA chỉ hướng chuyển động của các nguyên tử trung hòa điện năng lượng cao. Các vệ tinh Galileo chứa băng đá, Europa, Ganymede và Callisto, đều sinh ra mômen từ cảm ứng để đáp lại sự thay đổi từ trường của Sao Mộc ở khu vực lân cận các vệ tinh này. Các mômen từ biến thiên này tạo ra các lưỡng cực từ xung quanh chúng, chống lại những thay đổi từ trường ở gần các vệ tinh.

Tương tác của từ quyển Sao Mộc với Ganymede, vệ tinh có mômen từ nội tại, khác với sự tương tác của nó với các vệ tinh phi từ tính. Một số hạt năng lượng cao bị bẫy ở gần khu vực xích đạo của Ganymede, tạo ra những vành đai bức xạ nhỏ. Các hạt điện tử năng lượng cao đi vào bầu khí quyển mỏng ở vùng cực Ganymede cũng gây ra các cực quang đã được quan sát tại Ganymede. và rơi lên Europa và Ganymede, chủ yếu ở phần bán cầu quay về hướng ngược lại chiều quay quanh Sao Mộc. Tuy nhiên trên Callisto, vì các nguyên nhân chưa được làm rõ, lưu huỳnh tập trung vào bán cầu quay về hướng trùng với chiều quay quanh Sao Mộc. Plasma cũng có thể làm các bán cầu vệ tinh quay về hướng ngược lại chiều quay quanh Sao Mộc bị tối đi (một lần nữa, trừ trường hợp của Callisto). Các chất oxy hóa được tạo ra bởi xạ phân, như oxy và ozon, có thể bị mắc kẹt bên trong các lớp băng và được mang theo xuống các đại dương trong những khoảng thời gian địa chất, do đó đóng vai trò như một nguồn năng lượng tiềm năng cho sự sống dưới các đại dương này. Vì dải phổ của DAM mở rộng đến 40 MHz, các nhà thiên văn học kết luận rằng Sao Mộc phải có từ trường với cường độ khoảng 1 militesla (tức 10 gauss). Bức xạ xincrôtron này được sử dụng để ước tính số lượng và năng lượng của các hạt điện tử quanh Sao Mộc và cũng giúp cải thiện các giá trị ước lượng của momen từ và độ nghiêng của nó.

Khi tàu vũ trụ Cassini bay qua Sao Mộc vào năm 2000, nó đã thực hiện những đo đạc phối hợp với Galileo.

Các khám phá sau 2010

Tàu Juno đã được phóng vào năm 2011 và đi vào quỹ đạo bay quanh Sao Mộc vào tháng 7 năm 2016. Tàu này mang theo một bộ dụng cụ được thiết kế để đo đạc kỹ hơn về từ quyển, bao gồm từ kế và các thiết bị khác để đo đạc plasma và một thiết bị được gọi là Waves để đo sóng vô tuyến.

Các dụng cụ trong Thí nghiệm Phân bố Cực quang Sao Mộc (JIRAM) cũng giúp cung cấp thêm thông tin về từ quyển.

Mục tiêu khoa học của Juno bao gồm việc khám phá đầy đủ hơn về từ quyển cực của Sao Mộc. Độ phủ của các đo đạc về từ quyển Sao Mộc vẫn kém hơn nhiều so với đo đạc từ trường Trái Đất. Các nghiên cứu bổ sung sẽ giúp mở rộng hiểu biết về động lực học của từ quyển Sao Mộc.