На снимках с высоким разрешением радиоизлучения ультрахолодной звезды-карлика видна двухлопастная структура, подобная радиационным поясам Юпитера.
Астрономы впервые получили изображения радиационного пояса за пределами Солнечной системы, используя для получения картинок с высоким разрешением массив из 39 радиотелескопов, охватывающий пространство от Гавайев до Германии. На изображениях постоянного, интенсивного радиоизлучения ультрахолодного карлика представлено облако захваченных мощным магнитным полем этого объекта высокоэнергетичных электронов, которые образуют двухлопастную структуру, аналогичную структуре радиационных поясов Юпитера.
«Наблюдая за радиоизлучающей плазмой — радиационным поясом — в магнитосфере нашего объекта исследования, мы строим изображение этой магнитосферы. Для космического тела размером с газовый гигант, находящегося за пределами Солнечной системы, такого никто никогда не делал», — отмечает Мелоди Као, аспирант Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UC Santa Cruz) и первый автор статьи о результатах данного исследования, опубликованной 15 мая в журнале «Nature».
Сильное магнитное поле создаёт вокруг планеты «магнитный пузырь» — магнитосферу, способную улавливать и разгонять частицы до околосветовых скоростей. Все планеты Солнечной системы с таким магнитным полем, включая Землю, а также Юпитер и другие планеты-гиганты, имеют радиационные пояса из высокоэнергетичных заряженных частиц, попавших под воздействие планетарного магнитного поля.
Радиационные пояса Земли, известные как пояса Ван Аллена, представляют собой большие пончикообразные зоны движения высокоэнергетичных частиц солнечного ветра, захваченных магнитным полем нашей планеты. Большинство таких частиц в поясах Юпитера — из вулканов его спутника Ио. Чтобы показать на одной радиокартинке радиационный пояс звезды-карлика, изучавшийся Као и её командой, и радиационный пояс Юпитера, первый пришлось бы изобразить в 10 миллионов раз ярче, чем второй.
Взаимодействуя с атмосферой, частицы, которые магнитное поле отклоняет к полюсам, генерируют полярные сияния, и вот ещё одно достижение команды Као: впервые в ходе исследования объекта, находящегося за пределами Солнечной системы, получено изображение, на котором можно отличить область полярного сияния от области радиационных поясов.
Ультрахолодный карлик, изображённый в данном исследовании, — уже не звезда малой массы, но ещё не массивный коричневый карлик.
«Хотя структура звёзд и планет, как правило, разная, физика внутри них может быть очень схожей в той кашеобразной части континуума, образуемого распределением космических тел по массам, где звёзды малой массы соседствуют с коричневыми карликами и газовыми планетами-гигантами», — объясняет Као.
Характеристика силы и формы магнитных полей объектов данного класса, отмечает она, — всё ещё в значительной степени белое пятно. Используя теоретическое понимание таких систем и числовые модели, учёные-планетологи могут предсказать силу и форму магнитного поля той или иной планеты, но в их распоряжении не было хорошего способа легко проверить эти прогнозы.
«Полярные сияния можно использовать для измерения напряжённости магнитного поля, но не его формы. Мы разработали своё экспериментальное исследование, чтобы показать на коричневых карликах и в конечном счёте на экзопланетах, как действует один из методов оценки формы магнитных полей», — говорит Као.
Сила и форма магнитного поля могут существенно влиять на обитаемость планет.
«Размышляя об обитаемости экзопланет, следует учитывать, в дополнение к таким вещам, как атмосфера и климат, какую роль в обеспечении стабильности биосферы играет магнитное поле», — подчёркивает Као.
Генерировать магнитное поле способна планета, ядро которой такое горячее, что в нём присутствуют электропроводящие жидкости. В ядре Земли — это жидкое железо, в ядре Юпитера — жидкий водород, ставший под огромным давлением металлическим. Весьма вероятно, отмечает Као, что металлический водород генерирует магнитные поля и в коричневых карликах, тогда как внутри звёзд проводящей жидкостью является ионизированный водород.
У Као ещё до того, как её команда приступила к исследованию ультрахолодного карлика, известного как LSR J1835 + 3259, была уверенность в том, что именно этот объект позволит получить высококачественные данные о его радиационных поясах.
«Теперь, установив, что данный особый вид стационарного низкоуровневого радиоизлучения свидетельствует о наличии радиационных поясов в мощных магнитных полях таких объектов, мы, обнаружив сходное излучение, идущее от коричневых карликов и газовых гигантов, можем более уверенно предполагать, что у них имеется большое магнитное поле, даже если наш телескоп недостаточно велик для того, чтобы определить его форму», — отметила Као и добавила, что с нетерпением ждёт, когда благодаря Очень большому массиву следующего поколения (Next Generation Very Large Array), создание которого уже планируется Национальной радиоастрономической обсерваторией (NRAO), удастся построить изображения множества радиационных поясов за пределами Солнечной системы.
«Это важный первый шаг на пути обнаружения многих других объектов такого рода и совершенствования нашей способности фиксировать всё более мелкие магнитосферы, что, в конце концов, позволит нам изучать магнитосферы потенциально пригодных для жизни планет размером с Землю», — говорит соавтор Евгения Школьник (Evgenya Shkolnik) из Университета штата Аризона (Arizona State University), которая уже много лет изучает магнитные поля и обитаемость планет.
Команда Као использовала высокочувствительный массив, состоящий из 39 радиоастрономических приёмников, координируемых NRAO, США, и Эффельсбергской обсерваторией, которой управляет Радиоастрономический институт имени Макса Планка (Max Planck Institute for Radio Astronomy), Германия.
«Объединяя радиоастрономические приёмники всего мира, мы можем создавать изображения с невероятно высоким разрешением, позволяющие увидеть то, чего раньше никто никогда не видел. Чтобы оценить качество такого изображения, представьте себе, что в Калифорнии висит таблица для проверки зрения, а вы свободно читаете её верхнюю строчку, находясь в Вашингтоне», — говорит соавтор Джеки Вилладсен (Jackie Villadsen) из Бакнеллского университета (Bucknell University).
Данное открытие, подчёркивает Као, — результат командной работы, в которой весьма существенную роль сыграл опыт планирования научно-исследовательской деятельности и анализа информации соавтора Эми Миодушевски из NRAO, а также опыт изучения многоволновых звёздных вспышек соавторов Вилладсен и Школьник. Работа была поддержана НАСА и Фондом Хейзинга — Саймонс.
