Astronomowie opisali pierwszy pas promieniowania zaobserwowany poza Układem Słonecznym, wykorzystując skoordynowany układ 39 czasz radiowych od Hawajów po Niemcy, aby uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości. Obrazy trwałych, intensywnych emisji radiowych z ultrachłodnego karła ujawniają obecność chmury wysokoenergetycznych elektronów uwięzionych w potężnym polu magnetycznym obiektu, tworząc podwójną płatową strukturę analogiczną do obrazów radiowych pasów promieniowania Jowisza.
„W rzeczywistości obrazujemy magnetosferę naszego celu, obserwując plazmę emitującą promieniowanie radiowe – jej pas promieniowania – w magnetosferze. Nigdy wcześniej nie zrobiono tego dla czegoś wielkości gazowego olbrzyma poza naszym Układem Słonecznym” powiedziała Melodie Kao, doktor habilitowany na UC Santa Cruz i pierwsza autorka artykułu na temat nowych odkryć, opublikowanego 15 maja w Nature.
Silne pola magnetyczne tworzą „magnetyczną bańkę” wokół planety zwaną magnetosferą, która może uwięzić i przyspieszyć cząstki do prędkości bliskich prędkości światła. Wszystkie planety w naszym Układzie Słonecznym, które mają takie pola magnetyczne, w tym Ziemia, a także Jowisz i inne gigantyczne planety, mają pasy promieniowania składające się z tych wysokoenergetycznych naładowanych cząstek uwięzionych przez pole magnetyczne planety.
Ziemskie pasy radiacyjne, znane jako pasy Van Allena, to duże strefy w kształcie pączków z wysokoenergetycznymi cząstkami wychwytywanymi z wiatrów słonecznych przez pole magnetyczne. Większość cząstek w pasach Jowisza pochodzi z wulkanów na jego księżycu Io. Gdyby umieścić je obok siebie, pas promieniowania, który Kao i jej zespół sfotografowali, byłby 10 milionów razy jaśniejszy niż pas Jowisza.
Cząsteczki odchylane przez pole magnetyczne w kierunku biegunów generują zorze polarne (“zorza polarna”), gdy wchodzą w interakcję z atmosferą, a zespół Kao uzyskał również pierwszy obraz zdolny do rozróżnienia położenia zorzy polarnej obiektu od jego pasów promieniowania poza naszym Układem Słonecznym .
Ultrachłodny karzeł sfotografowany w tym badaniu znajduje się na granicy między małomasywnymi gwiazdami a masywnymi brązowymi karłami. „Podczas gdy powstawanie gwiazd i planet może być różne, fizyka wewnątrz nich może być bardzo podobna w tej papkowatej części kontinuum mas łączącego gwiazdy o małej masie z brązowymi karłami i gazowymi olbrzymami” – wyjaśnił Kao.
Powiedziała, że scharakteryzowanie siły i kształtu pól magnetycznych tej klasy obiektów jest w dużej mierze niezbadanym terenem. Korzystając z teoretycznego zrozumienia tych systemów i modeli numerycznych, planetolodzy mogą przewidzieć siłę i kształt pola magnetycznego planety, ale nie mieli dobrego sposobu na łatwe przetestowanie tych przewidywań.
„Zorzę polarną można wykorzystać do pomiaru siły pola magnetycznego, ale nie jego kształtu. Zaprojektowaliśmy ten eksperyment, aby zaprezentować metodę oceny kształtów pól magnetycznych na brązowych karłach, a ostatecznie na egzoplanetach” – powiedział Kao.
Siła i kształt pola magnetycznego mogą być ważnym czynnikiem decydującym o możliwości zamieszkania na planecie. „Kiedy myślimy o możliwości zamieszkania na egzoplanetach, oprócz takich rzeczy, jak atmosfera i klimat, należy wziąć pod uwagę rolę ich pól magnetycznych w utrzymaniu stabilnego środowiska” – powiedział Kao.
Aby wytworzyć pole magnetyczne, wnętrze planety musi być wystarczająco gorące, aby zawierało płyny przewodzące prąd elektryczny, którymi w przypadku Ziemi jest stopione żelazo w jej jądrze. W Jowiszu płynem przewodzącym jest wodór pod tak dużym ciśnieniem, że staje się metaliczny. Metaliczny wodór prawdopodobnie również generuje pola magnetyczne w brązowych karłach, powiedział Kao, podczas gdy we wnętrzach gwiazd płynem przewodzącym jest zjonizowany wodór.
Ultrachłodny karzeł znany jako LSR J1835+3259 był jedynym obiektem, który według Kao mógł dostarczyć wysokiej jakości danych potrzebnych do rozwiązania jego pasów promieniowania.
„Teraz, gdy ustaliliśmy, że ten szczególny rodzaj stałej emisji radiowej o niskim poziomie wyznacza pasy promieniowania w wielkoskalowych polach magnetycznych tych obiektów, kiedy obserwujemy tego rodzaju emisję z brązowych karłów – i ostatecznie z egzoplanety gazowych olbrzymów – możemy z większą pewnością powiedzieć, że prawdopodobnie mają duże pole magnetyczne, nawet jeśli nasz teleskop nie jest wystarczająco duży, aby zobaczyć jego kształt” – powiedziała Kao, dodając, że nie może się doczekać, kiedy następna generacja bardzo Large Array, obecnie planowana przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), może obrazować o wiele więcej pasów promieniowania pozasłonecznego.
„To ważny pierwszy krok w znalezieniu znacznie większej liczby takich obiektów i doskonaleniu naszych umiejętności poszukiwania coraz mniejszych magnetosfer, co ostatecznie umożliwi nam badanie planet wielkości Ziemi potencjalnie nadających się do zamieszkania” – powiedziała współautorka Evgenya Shkolnik z Arizona State University, który od wielu lat bada pola magnetyczne i zamieszkiwalność planet.
Zespół wykorzystał tablicę o wysokiej czułości, składającą się z 39 anten radiowych koordynowanych przez NRAO w Stanach Zjednoczonych oraz radioteleskop Effelsberg obsługiwany przez Instytut Radioastronomii im. Maxa Plancka w Niemczech.
„Łącząc anteny radiowe z całego świata, możemy tworzyć obrazy o niewiarygodnie wysokiej rozdzielczości, aby zobaczyć rzeczy, których nikt wcześniej nie widział. Nasz obraz można porównać do czytania górnego rzędu wykresu oka w Kalifornii, stojąc w Waszyngtonie, ” powiedział współautor Jackie Villadsen z Bucknell University.
Kao podkreślił, że to odkrycie było prawdziwym wysiłkiem zespołowym, polegającym w dużej mierze na obserwacyjnej wiedzy współautorki Amy Mioduszewski z NRAO w planowaniu badań i analizie danych, a także wiedzy Villadsena i Shkolnika na temat wielofalowych rozbłysków gwiazdowych. Ta praca była wspierana przez NASA i Fundację Heising-Simons.