Нептун — ледяной гигант, вращающийся на окраине Солнечной системы. Он находится в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает лишь 0,1% от того света, который освещает нашу планету. Температура на нем опускается до минус 220 градусов Цельсия, а скорость ветров в атмосфере превышает 2000 километров в час — быстрее скорости звука.

Магнитное поле Нептуна долгое время оставалось загадкой. В 1989 году зонд «Вояджер-2» пролетел мимо планеты и обнаружил, что ее магнитная ось смещена относительно оси вращения на 47 градусов — сильнее, чем у любой другой планеты. Это открытие намекало на возможное существование полярных сияний, но подтвердить их наличие не удавалось. На Земле, Юпитере или Сатурне такие явления возникают у полюсов, где магнитные линии сходятся к атмосфере. Однако Нептун с его «перекошенным» полем обещал другую картину.

До сих пор астрономы фиксировали лишь косвенные признаки полярных сияний на Нептуне, например, слабое ультрафиолетовое свечение. Инфракрасные обсерватории не обладали достаточной чувствительностью, а наземные телескопы сталкивались с помехами земной атмосферы. Нептун оставался единственным газовым гигантом, чьи сияния не были изучены.

Статья по теме: Нептун и его кольца. NASA опубликовало новые снимки, сделанные телескопом «Джеймс Уэбб»

В июне 2023 года международная команда астрономов под руководством Хенрика Мелина (Henrik Melin) из Нортумбрийского университета (Великобритания) используя спектрограф ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec, установленного на космической обсерватории «‎Джеймсе Уэббе», детально проанализировали состав верхних слоев атмосферы Нептуна.

Результаты превзошли ожидания. На снимках проявились яркие бирюзовые пятна — следы сияний, растянувшихся вдоль средних широт, а не у полюсов, как на Земле. Это открытие подтвердило предположения о влиянии уникального магнитного поля Нептуна.

Ключом к разгадке стал спектральный анализ. Ученые обнаружили интенсивную линию излучения, соответствующую иону H3+ (триводороду). Этот ион образуется в верхних слоях атмосферы при столкновении заряженных частиц с молекулами водорода — основном компоненте атмосферы Нептуна. Ранее H3+ находили в аврорах Юпитера, Сатурна и Урана. На Нептуне его существование предсказывали десятилетиями, но доказать удалось только сейчас.

Но открытие принесло и новые вопросы. Сравнив данные, присланные «‎Джеймсом Уэббом», с измерениями «Вояджера-2», ученые обнаружили, что за 34 года верхние слои атмосферы Нептуна охладились на сотни градусов. В 1989 году температура там достигала 700 градусов, а сейчас едва превышает 350. Это объясняет, почему северные сияния оставались невидимыми: чем холоднее атмосфера, тем слабее свечение.

«Резкое похолодание удивило нас больше всего. Мы не ожидали, что атмосфера ледяного гиганта способна так быстро меняться, учитывая его удаленность от Солнца», — пояснил Мелин.

Еще одна загадка — расположение сияний. Вместо полярных регионов они охватывают широты, сравнимые с положением Южной Америки на Земле. Это прямое следствие аномального магнитного поля Нептуна, линии которого сходятся к атмосфере в неожиданных местах.

Открытие Уэбба не только заполнило пробел в изучении планет-гигантов, но и изменило представления о динамике атмосфер Нептуна. Теперь астрономы планируют наблюдать планету в течение 11-летнего солнечного цикла, чтобы понять, как активность Солнца влияет на ее магнитное поле и климат.

В ближайшем будущем команда Мелина попытается выяснить, почему магнитное поле Нептуна так сильно наклонено и как это связано с внутренней структурой планеты. Возможно, ответы помогут разгадать тайны других ледяных гигантов за пределами Солнечной системы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.