Pierwsze oszacowanie pola magnetycznego egzoplanety 02.12.2014

W ciągu dwóch dekad od odkrycia pierwszej planety poza Układem Słonecznym astronomowie odkryli ponad 350 egzoplanet i zrobili duży krok w swoich badaniach. Dwadzieścia lat temu wielkim wydarzeniem było po prostu odkrycie nowej egzoplanety, a teraz astrofizycy badają strukturę i skład chemiczny ich atmosfer, klimat i inne cechy. W niektórych przypadkach można nawet obserwować ich księżyce.

Jedną z ważnych cech planet jest ich pole magnetyczne. Wpływa na zachowanie atmosfery planety, ponieważ chroni ją przed destrukcyjnym działaniem wiatru gwiazdowego i oddziałuje z jej zjonizowaną częścią - jonosferą i magnetosferą. Ponadto może wpływać na ewolucję samej planety.

Bezpośrednie obserwacje pola magnetycznego egzoplanet nie są obecnie możliwe. Jak dotąd nie powiodły się również próby wykrycia ich emisji radiowej, które umożliwiłyby również oszacowanie pola magnetycznego. Jednak podczas badania planety HD 209458b, nieformalnie nazwanej Ozyrysem, poza jej magnetosferą odkryto chmurę gorącego atomowego wodoru, który „odparowuje” z atmosfery planety pod wpływem gwiazdy.

Rozmiar i kształt powłoki wodorowej jest determinowany przez oddziaływanie między wypływem gazu z planety a nadlatującym wiatrem gwiazdowym protonów, które niejako zdmuchują tę chmurę. Znając parametry chmury wodorowej, korzystając z pewnego modelu, można oszacować parametry magnetosfery, a w konsekwencji parametry pola magnetycznego.

Metodę takiej oceny zaproponował międzynarodowy zespół naukowców, w skład którego wchodzą fizycy rosyjscy, obecnie reprezentujący Instytut Badań Kosmicznych Austriackiej Akademii Nauk, Kristina Kislyakova (dawniej pracownik Niżnego Nowogrodu Państwowego Uniwersytetu im. N.I. Łobaczewskiego) i Maxim Khodachenko (również pracownik SINP im. D.V. Skobeltsyn, Moskiewski Uniwersytet Państwowy). Z jego pomocą byli w stanie oszacować wielkość momentu magnetycznego planety HD 209458b. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Science.

Naukowcy przeprowadzili symulację powstawania obłoku gorącego wodoru wokół planety i wykazali, że obserwowana konfiguracja obłoku odpowiada tylko jednej określonej wartości momentu magnetycznego i parametrów wiatru gwiazdowego.
Aby model był dokładniejszy, astrofizycy wzięli pod uwagę dużą liczbę czynników, które determinują interakcję wiatru gwiazdowego z atmosferą planety: tzw. , przyspieszenie radiacyjne, poszerzenie linii widmowej.

Planeta HD 209458b, odkryta w 1999 roku 150 lat świetlnych od Ziemi, jest jedną z kilku najlepiej zbadanych i intensywnie badanych egzoplanet, ponieważ jest jednym z niewielu znanych obiektów, które można zobaczyć, gdy przechodzą przez dysk gwiazdy. W tym samym czasie na Ziemię dociera światło gwiazdy po przejściu przez atmosferę planety, co umożliwia badanie jej struktury i składu chemicznego metodami spektralnymi. Do obserwacji naukowcy wykorzystali Kosmiczny Teleskop Hubble'a.

Symulacje wykazały, że magnetosfera planety jest stosunkowo mała, około 2,9 promienia planety, co odpowiada momentowi magnetycznemu wynoszącemu tylko 10% wartości Jowisza. Jest to zgodne ze wstępnymi szacunkami efektywności dynama planetarnego dla tej planety.

Tak małe pole magnetyczne wynika z faktu, że egzoplaneta HD 209458b jest typowym gorącym Jowiszem, czyli gazowym olbrzymem o masie rzędu Jowisza, ale znajdującym się znacznie bliżej gwiazdy. Tak więc rozważana egzoplaneta znajduje się w odległości mniejszej niż 5 milionów km od gwiazdy, czyli 100 razy bliżej niż Jowisz w Układzie Słonecznym, a nawet 10 razy bliżej niż najbliższa Słońcu planeta, Merkury. Jej okres obiegu wynosi tylko 3,5 dnia, masa 0,7 masy Jowisza, a promień 1,4 masy Jowisza.

Ponieważ orbita takiej planety jest bardzo blisko gwiazdy, doświadcza ona silnego przyciągania grawitacyjnego, które spowalnia obrót planety. Ponieważ zgodnie z teorią dynama planetarnego generowanie pola magnetycznego wiąże się z obrotem jąder planet, powolny obrót planety prowadzi do słabych pól magnetycznych.

Naukowcy uważają, że zaproponowana przez nich metoda szacowania pola magnetycznego może być stosowana dla wszystkich planet, w tym podobnych do Ziemi, jeśli wokół nich znajduje się wysokoenergetyczna powłoka wodorowa. Warto zauważyć, że około 15% egzoplanet to gorące Jowisze.