Впервые оценено магнитное поле экзопланеты 02.12.2014

В течение двух десятилетий, прошедших с момента открытия первой планеты за пределами Солнечной системы, астрономы нашли уже более 350 экзопланет и сделали большой шаг в их изучении. Двадцать лет назад большим событием было просто открытие новой экзопланеты, а сейчас астрофизики исследуют строение и химический состав их атмосфер, климат и другие характеристики. А в некоторых случаях могут даже наблюдать их луны.

Одной из важных характеристик планет является их магнитное поле. Оно влияет на поведение атмосферы планеты, поскольку защищает ее от разрушительного воздействия звездного ветра и взаимодействует с ионизированной ее частью - ионосферой и магнитосферой. Кроме того оно может влиять и на эволюцию самой планеты.

Прямые наблюдения магнитного поля экзопланет в настоящее время невозможны. Безуспешны пока и попытки обнаружить их радиоизлучение, которое также позволило бы оценить магнитное поле. Однако при изучении планеты HD 209458b с неофициальным названием Осирис за пределами ее магнитосферы было обнаружено облако горячего атомарного водорода, "испаряющегося" из атмосферы планеты под действием звезды.

Размер и форма водородной оболочки определяется взаимодействием между оттоком газа из планеты и входящих звездный ветер протонов, которые как бы сдувают это облако. Зная параметры водородного облака, с помощью определенной модели можно оценить параметры магнитосферы и, как следствие, параметры магнитного поля.

Метод такой оценки был предложен международным коллективом ученых, в который входят и российские физики, в настоящее время представляющие Институт космических исследований Австрийской академии наук, Кристина Кислякова (ранее сотрудник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского) и Максим Ходаченко (также сотрудник НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына, МГУ). С его помощью им удалось оценить величину магнитного момента планеты HD 209458b. Результаты исследований опубликованы в журнале Science.

Ученые смоделировали образование облака горячего водорода вокруг планеты и показали, что наблюдаемая конфигурация облака соответствует только одному определенному значению магнитного момента и параметров звездного ветра.
Чтобы сделать модель более точной, астрофизики учли большое количество факторов, определяющих взаимодействие между звездным ветром и атмосферой планеты: так называемую перезарядку между звездным ветром и нейтральными атмосферными частицам и их ионизацию, гравитационные эффекты, давление, радиационное ускорение, спектральное уширение линий.

Планета HD 209458b, открытая в 1999 году в 150 световых лет от Земли, входит в число нескольких наиболее изученных и интенсивно изучаемых экзопланет, поскольку это один из немногих известных объектов, которые можно увидеть, когда они проходят по диску звезды. При этом свет звезды приходит на Землю, пройдя сквозь атмосферу планеты, что и позволяет исследовать ее структуру и химический состав спектральными методами. Для наблюдений ученые использовали космический телескопа Хаббл.

Моделирование показало, что магнитосфера планеты относительно невелика, около 2,9 радиусов планеты, что соответствует магнитному моменту, составляющему лишь 10% от магнитного момента Юпитера. Это согласуется с предварительными оценками эффективности планетарного динамо для этой планеты.

Столь маленькое магнитное поле связано с тем, что экзопланета HD 209458b представляет собой типичный горячий Юпитер, то есть газовый гигант с массой порядка Юпитерианской, но расположенный значительно ближе к звезде. Так, рассматриваемая экзопланета находится на расстоянии менее 5 млн км от звезды, что в 100 раз ближе, чем Юпитер в Солнечной системе, и даже в 10 раз ближе, чем самая близкая к Солнцу планета Меркурий. Ее период обращения всего 3,5 дня, масса составляет 0,7 массы Юпитера, а радиус - 1,4 юпитерианского.

Поскольку орбита такой планеты очень близка к звезде, то она испытывает сильное гравитационное притяжение, тормозящее вращение планеты. Поскольку, в соответствии с теорией планетарного динамо, генерация магнитного поля связана с вращением ядер планет, медленное вращение планеты приводит к слабым магнитным полям.

Ученые полагают, что предложенный ими метод оценки магнитного поля может быть использован для всех планет, в том числе и похожих на Землю, если вокруг них существует высокоэнергетичная водородная оболочка. Стоит отметить, что около 15% экзопланет являются горячими Юпитерами.