Астрономы обнаружили в атмосфере Венеры загадочную структуру, которую до сих пор никто не наблюдал. Во время короткого наблюдения, продолжавшегося всего 36 минут, экспериментальный прибор зафиксировал гигантские концентрические кольца, охватывающие значительную часть дневной стороны планеты.
Эти структуры полностью невидимы в обычном свете и проявляются только при наблюдении поляризованного излучения. Они выглядят так, будто атмосфера Венеры «звенит, как колокол».
Исследователи несколько лет пытались доказать, что наблюдаемый сигнал был ошибкой или артефактом оборудования. Однако он сохранялся после всех проведённых проверок. Теперь учёные опубликовали результаты, чтобы другие исследователи смогли независимо проверить необычное наблюдение.
«Довольно неприятно иметь потенциально уникальные наблюдения, которые невозможно подтвердить», — рассказал ведущий автор исследования, специалист по физике атмосфер из Делфтского технического университета в Нидерландах Гурав Махапатра.
По его словам, в конечном итоге исследователи решили опубликовать все полученные данные, подробно описав их ограничения и показав, что предложенная интерпретация физически возможна. Теперь научное сообщество сможет проверить, действительно ли загадочные кольца существуют.
Необычные данные были получены с помощью экспериментального прибора Extreme Polarimeter, или ExPo. Его разработал астрофизик-экспериментатор Михил Роденхёйс во время работы над докторской диссертацией в Утрехтском астрономическом институте. Прибор установили на телескопе Уильяма Гершеля на Канарских островах.
В отличие от обычной камеры, ExPo регистрировал линейно поляризованный свет, одновременно подавляя обычное неполяризованное излучение. Поскольку свет может становиться линейно поляризованным при рассеянии на газе и пыли, такой прибор способен выявлять тонкие особенности атмосферы, которые в обычном свете остаются незаметными.
Однажды вечером в 2010 году, пока Роденхёйс ожидал, когда небо станет достаточно тёмным для запланированных наблюдений, он заметил ярко сияющую в сумерках Венеру. После короткого обсуждения с коллегой Дафной Стам из Лейденской обсерватории исследователь направил прибор на планету и успел собрать всего 36 минут наблюдений.
Странная особенность была обнаружена лишь спустя несколько месяцев, когда прибор уже демонтировали, а его компоненты использовали в других проектах.
«Сначала мы подумали, что кольца вызваны эффектом самого прибора, особенно потому, что они казались концентрическими относительно самой яркой области планеты. Возможно, это был результат оцифровки сигнала детектором или какого-то размытия изображения», — объяснил Махапатра.
Исследователи попытались разобраться в природе сигнала, но не смогли объяснить его обычным инструментальным артефактом. При этом первоначальных данных было недостаточно, чтобы уверенно предложить физическое объяснение.
К 2017 году ситуация изменилась. К этому времени Дафна Стам сформулировала рабочую гипотезу о природе колец, а японский космический аппарат «Акацуки», изучавший Венеру, обнаружил атмосферную волну, распространявшуюся от одного полюса планеты к другому.
Махапатра решил проверить, могут ли небольшие изменения плотности верхних слоёв атмосферы Венеры, вызванные атмосферными гравитационными волнами, создать наблюдаемый сигнал. Для этого учёные провели компьютерное моделирование.
Результаты оказались неожиданными. Согласно расчётам, изменения плотности атмосферы всего на 5–10% действительно способны создавать поляризационные кольца, похожие на те, что были зафиксированы во время наблюдений 2010 года.
Однако учёные подчёркивают, что пока слишком рано утверждать, будто кольца действительно существуют. Их существование основано на единственном наблюдении, которое пока не удалось повторить.
Если будущие наблюдения подтвердят открытие, оно позволит получить новую информацию о динамике атмосферы Венеры. По мнению исследователей, наиболее важным результатом станет возможное свидетельство того, что крупномасштабные атмосферные волны способны создавать согласованные структуры плотности на огромных участках верхней атмосферы планеты.
Такие волны могут переносить энергию и импульс между различными слоями атмосферы. Это особенно важно для понимания одной из главных загадок Венеры — сверхротации атмосферы.
Облака Венеры вращаются вокруг планеты значительно быстрее, чем сама планета вращается вокруг своей оси. Ураганные ветры способны обогнуть всю Венеру примерно за четыре земных дня, тогда как один полный оборот самой планеты занимает около 243 земных суток.
Атмосферные волны сами по себе не являются необычным явлением. Подобно ряби, распространяющейся по поверхности пруда, возмущения могут перемещаться через атмосферу, заставляя газ сжиматься и расширяться.
На Земле проявления гравитационных волн иногда можно увидеть в виде характерных структур в облаках. На Венере такие волны могут распространяться на тысячи километров, перенося энергию и импульс между различными слоями плотной атмосферы.
Учёные считают, что атмосферные волны могут играть важную роль в поддержании необычной сверхротации Венеры. При этом кольца, описанные Махапатрой и его коллегами, не являются самими атмосферными волнами. По мнению исследователей, это поляризационный след, возникающий из-за небольших изменений плотности газа, которые появляются по мере распространения волн через атмосферу.
«Мы рассматриваем наши наблюдения не как свидетельство совершенно неизвестного типа атмосферной физики, а как потенциально новый способ наблюдать динамику атмосферы, о существовании которой уже имеются интригующие свидетельства, полученные космическими аппаратами», — отметил Махапатра.
Хотя атмосфера Венеры значительно отличается от земной — она гораздо плотнее и горячее, имеет другой химический состав и покрыта облаками серной кислоты, — основные физические процессы в атмосферах остаются схожими.
Поэтому более глубокое понимание атмосферы Венеры может помочь учёным лучше изучить и Землю. Исследование соседней планеты позволяет проверять и совершенствовать фундаментальные представления о работе атмосфер, включая атмосферу нашей планеты.
Пока остаётся неизвестным, что именно запускает обнаруженные атмосферные волны. Согласно моделированию, они, по-видимому, начинают формироваться после местного полудня. Это может указывать на связь с реакцией атмосферы Венеры на солнечный нагрев и переносом энергии через плотные облачные слои.
Однако для проверки этой гипотезы потребуются дополнительные исследования. На данном этапе главная задача заключается в том, чтобы выяснить, был ли зафиксированный в 2010 году сигнал реальным атмосферным явлением.
Сам прибор ExPo уже не используется, однако его наблюдения показали, что подобные структуры в принципе можно обнаружить с помощью земных телескопов. С 2010 года на различных телескопах появились новые поляриметры, включая экспериментальные инструменты, способные проводить аналогичные наблюдения.
Теперь исследователи надеются, что другие научные группы направят новые поляриметры на Венеру и попытаются найти загадочные кольца во время независимых наблюдений.
«С помощью земного телескопа эти кольца в принципе можно наблюдать. Мы надеемся, что наша работа вдохновит других исследователей наблюдать Венеру и попытаться обнаружить эти кольца в новых данных», — заявил Махапатра.
Исследование опубликовано в журнале The Planetary Science Journal.