Вперше оцінено магнітне поле екзопланети 02.12.2014

Протягом двох десятиліть, що пройшли з моменту відкриття першої планети за межами Сонячної системи, астрономи знайшли вже понад 350 екзопланет та зробили великий крок у їх вивченні. Двадцять років тому великою подією було просто відкриття нової екзопланети, а зараз астрофізики досліджують будову та хімічний склад їхньої атмосфери, клімату та інших характеристик. А в деяких випадках можуть навіть спостерігати їхні місяці.

Однією з важливих характеристик планет є їхнє магнітне поле. Воно впливає на поведінку атмосфери планети, оскільки захищає її від руйнівної дії зоряного вітру та взаємодіє з іонізованою її частиною – іоносферою та магнітосферою. Крім того, воно може впливати і на еволюцію самої планети.

Прямі спостереження магнітного поля екзопланет нині неможливі. Безуспішні поки що і спроби виявити їхнє радіовипромінювання, яке також дозволило б оцінити магнітне поле. Однак при вивченні планети HD 209458b з неофіційною назвою Осіріс за межами її магнітосфери було виявлено хмару гарячого атомарного водню, що "випаровується" з атмосфери планети під дією зірки.

Розмір і форма водневої оболонки визначається взаємодією між відпливом газу з планети та вхідних зоряний вітер протонів, які ніби здувають цю хмару. Знаючи параметри водневої хмари за допомогою певної моделі можна оцінити параметри магнітосфери і, як наслідок, параметри магнітного поля.

Метод такої оцінки був запропонований міжнародним колективом вчених, до якого входять і російські фізики, які нині представляють Інститут космічних досліджень Австрійської академії наук, Крістіна Кислякова (раніше співробітник Нижегородського державного університету ім. М.І. Лобачевського) та Максим Ходаченко (також співробітник НДІЯФ ім.Д.В.Скобельцина, МДУ). З його допомогою їм удалося оцінити величину магнітного моменту планети HD 209458b. Результати досліджень опубліковані у журналі Science.

Вчені змоделювали утворення хмари гарячого водню навколо планети і показали, що конфігурація хмари, що спостерігається, відповідає тільки одному певному значенню магнітного моменту і параметрів зоряного вітру.
Щоб зробити модель більш точною, астрофізики врахували велику кількість факторів, що визначають взаємодію між зірковим вітром та атмосферою планети: так звану перезарядку між зірковим вітром та нейтральними атмосферними частинками та їх іонізацію, гравітаційні ефекти, тиск, радіаційне прискорення, спектральне розширення ліній.

Планета HD 209458b, відкрита в 1999 році в 150 світлових років від Землі, входить до кількох найбільш вивчених і інтенсивно досліджуваних екзопланет, оскільки це один з небагатьох відомих об'єктів, які можна побачити, коли вони проходять диском зірки. При цьому світло зірки приходить на Землю, пройшовши крізь атмосферу планети, що дозволяє досліджувати її структуру і хімічний склад спектральними методами. Для спостережень вчені використали космічний телескоп Хаббл.

Моделювання показало, що магнітосфера планети відносно невелика, близько 2,9 радіусів планети, що відповідає магнітному моменту, що становить лише 10% магнітного моменту Юпітера. Це узгоджується з попередніми оцінками ефективності планетарного динамо для цієї планети.

Таке маленьке магнітне поле пов'язане з тим, що екзопланета HD 209458b є типовим гарячим Юпітером, тобто газовим гігантом з масою порядку Юпітеріанської, але розташований значно ближче до зірки. Так, екзопланета, що розглядається, знаходиться на відстані менше 5 млн км від зірки, що в 100 разів ближче, ніж Юпітер в Сонячній системі, і навіть в 10 разів ближче, ніж найближча до Сонця планета Меркурій. Її період звернення лише 3,5 дня, маса становить 0,7 маси Юпітера, а радіус – 1,4 юпітеріанського.

Оскільки орбіта такої планети дуже близька до зірки, вона відчуває сильне гравітаційне тяжіння, гальмує обертання планети. Оскільки, відповідно до теорії планетарного динамо, генерація магнітного поля пов'язана з обертанням ядер планет, повільне обертання планети призводить до слабких магнітних полів.

Вчені вважають, що запропонований ними метод оцінки магнітного поля може бути використаний для всіх планет, у тому числі схожих на Землю, якщо навколо них існує високоенергетична воднева оболонка. Варто зазначити, що близько 15% екзопланет є гарячими юпітерами.