Столкновение магнитного поля планеты со звездным ветром вызывает не только красивое природное явление, но и радиосигналы. Исследователи придумали, как это можно использовать для поиска миров, расположенных за пределами Солнечной системы.
За годы наблюдений планетологи и астрофизики разработали множество способов поиска далеких экзопланет. «Хайтек» уже рассказывал про основные из них. Тем не менее до сих пор ученым известно об удивительно малом количестве далеких планет.
По оценке, только в Млечном Пути должно быть не менее 100 млрд миров, из которых почти 300 млн должны обладать условиями, подходящими для возникновения жизни. Но в настоящее время известно чуть более чем 5,2 тыс. подтвержденных экзопланет, а результаты наблюдений за еще 9 тыс. объектами-кандидатами пока проходят проверку.
Как формируется полярное сияние?
Полярное сияние — красочное «световое шоу», которое можно наблюдать в ночном небе в приполярных, а иногда и умеренных широтах. Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы (электроны и протоны) сталкиваются с газами в верхних слоях атмосферы Земли.
Эти столкновения производят крошечные вспышки, которые покрывают небо разноцветными «узорами». Когда последовательно происходят миллиарды вспышек, кажется, что полярные сияния движутся или «танцуют» в небе.
В зависимости от того, с какими атомами взаимодействуют частицы, оно может быть разных цветов. Например, наиболее распространенный, зеленый, оттенок возникает при столкновении заряженных частиц с молекулами кислорода на высоте от 100 до 300 км, а атомы азота на высоте около 100 км дают розовое и темно-красное свечение.
Несмотря на то, что полярные сияния видны главным образом по ночам, они формируются под воздействием солнечного ветра. Это поток ионизированных частиц, истекающий из короны звезды во всех направлениях. Он дует непрерывно, но в обычных условиях магнитное поле Земли образует невидимый щит, защищающий нас от солнечного ветра. Время от времени солнечный ветер усиливается и «пробивает» защиту. В результате поток частиц взаимодействует с газами в магнитном поле (магнитосфере), порождая великолепные полярные сияния.
Магнитное поле Земли направляет заряженные частицы к полюсам. Форма магнитного поля Земли создает два овала полярных сияний над северным и южным магнитными полюсами. При этом чем активнее Солнце, тем «шире» будет этот овал и тем в более низких широтах будет видно полярное сияние.
Наибольшей активности оно достигает под действием корональных выбросов массы. Во время этого явления из солнечной короны извергается огромный «пузырь» заряженной плазмы, движущийся со средней скоростью свыше 400 км/с.
Есть ли полярные сияния на других планетах?
Полярные сияния — это не уникальное земное явление. Если у планеты есть атмосфера и магнитное поле, на ней, скорее всего, будут наблюдаться полярные сияния. За время астрономических наблюдений исследователи наблюдали подобные явления на многих планетах Солнечной системы.
Магнитные поля Юпитера и Сатурна гораздо сильнее, чем у Земли (например, напряженность экваториального поля Юпитера составляет 4,3 Гаусса по сравнению с 0,3 Гаусса для Земли). Не удивительно, что на обоих газовых гигантах наблюдаются масштабные полярные сияния.
Полярные сияния на Сатурне подобно земным формируются под действием солнечного ветра. А на Юпитере это явление гораздо сложнее. Главный овал полярных сияний Юпитера связан с плазмой, которая извергается из вулканов на спутнике Ио, и достигает магнитосфере планеты. Другой тип сияний на планете связан с солнечным ветром.
Кроме того, спутники, особенно Ио, также являются мощными источниками полярного сияния. Оно возникает из-за магнитного динамо — эффекта самогенерации поля при движении из-за относительного движения между вращающейся планетой и движущейся луной. Этот эффект генерирует электрические токи, движущиеся вдоль силовых линий и «заряжающие» частицы в атмосфере.
Полярные сияния также наблюдались на Венере и Марсе. У Венеры нет магнитного поля, поэтому полярные сияния на этой планете выглядят как яркие и рассеянные пятна различной формы и интенсивности, иногда распределенные по всему диску планеты. А на Красной планете обнаружено сразу несколько типов подобных явлений, которые объясняются по-разному.
Более того, в 2014–2016 годах исследовательский корабль «Розетта» наблюдал полярные сияния даже на комете Чурюмова — Герасименко. Его можно было увидеть в дальнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Исследователи полагают, что оно возникает при взаимодействии ускоренных электронов солнечного ветра с частицами газа в коме — облаке, окружающем ядро планеты.
Звездные ветры далеких миров и поиски жизни
В 2021 году намеки на наличие подобных взаимодействий, происходящих в других звездных системах, впервые были обнаружены с помощью радиотелескопа LOFAR (Low-Frequency Array) в Нидерландах. Исследователи открыли около 20 карликовых звезд, излучающих специфическое радиоизлучение. Хотя у этих планет пока нет открытых экзопланет, этот эффект напоминает взаимодействие звездных ветров с магнитными полями других объектов.
В своем исследовании ученые сосредоточились на красных карликах, наиболее распространенном типе звезд во Вселенной, составляющих более 70% «населения» Млечного Пути. Эти звезды маленькие и холодные: их масса не превышает трети солнечной и они, как правило, до 50 раз тусклее.
Планеты Солнечной системы излучают мощные радиоволны, когда их магнитные поля взаимодействуют с солнечным ветром, но радиосигналы от планет из других звездных систем до 2021 года поймать не удавалось.
В процессе исследования планетологи обнаружили 19 звездных систем, от которых исходит радиоизлучение. Данные напоминают взаимодействие магнитных полей Юпитера и Ио. Хотя сами экзопланеты пока не найдены, взаимодействие между планетой и звездой — лучшее объяснение для наблюдаемых явлений.
В 2022 году исследователь из Лейдонского университета Роб Кавана пошел еще дальше. Он разработал математические модели, которые описывают, как взаимодействуют звездные ветры и магнитные поля различных планет. Модели Каваны полезны не только для обнаружения новых экзопланет.
Данные, собранные радиотелескопом, можно также использовать, чтобы изучить звездную систему. Например, на основе моделей и фиксируемого сигнала можно определить размер планеты и ее орбиту. Кроме того, сила излучения может также дать представление о свойствах самих звездных ветров и размере магнитного поля вокруг экзопланеты.
Это важная информация, потому что вполне вероятно, что магнитное поле Земли обеспечило нам наличие атмосферы. А значит, наличие и размер магнитного поля дает астрономам указание на потенциальную обитаемость планеты.
Роб Кавана, автор моделей
Исследователи продолжат разрабатывать модели взаимодействий между звездами и планетами, чтобы создать технику для масштабного поиска экзопланет с помощью радиоастрономических наблюдений. Возможно, именно этот метод позволит найти другой обитаемый мир в нашей Галактике.
Читать далее:
Почему Луна, а не Марс: главное о миссии «Артемида-1» и зачем она нужна
Древний амулет переписал историю самого загадочного языка Европы
Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились