Экзопланеты найдут по полярным сияниям

Недавно астрофизики предложили новый оригинальный метод обнаружения экзопланет — их следует искать по полярным сияниям! Дело в том, что они генерируют не только электромагнитные волны видимого диапазона, но также и радиоволны, которые достаточно легко поймать, поскольку они прекрасно распространяются и несут информацию о породивших их процессах.

Количество экзопланет растет каждый день — совершенствуются методы, с помощью которых специалисты находят экзопланеты и семейства экзопланет, вращающихся вокруг своих светил. Конечно, в их типизации первоначально доминировали "юпитеры" — холодные и горячие в зависимости от их поверхностной температуры, потому что крупные объекты легче выявить, чем гораздо меньшие, подобные планетам земной группы. Поразительная подсказка была заложена в самой типизации — ведь у Юпитера, планеты-гиганта Солнечной системы, сформирована гигантская магнитосфера дипольной структуры, и в этой магнитосфере бушуют магнитные бури и генерируются полярные сияния, несравненно более интенсивные, чем на Земле.

Авроральные проявления вызваны потоками солнечного ветра, передающего энергию в магнитосферу, и тогда в авроральных овалах на Земле вокруг магнитных полюсов на ионосферном уровне вспыхивает феерическая картина полярных сияний, всегда неповторимая, завораживающая и просто сказочно нереальная. На Земле эти сияния видны полярными ночами, которые длятся до полугода в высоких широтах. В полярный день их не видно в ярком свете Солнца, но спутники, исследующие авроральные высыпания, фиксируют их во всей полноте.

Изучая физику магнитосферы, концепцию аврорального овала независимо друг от друга и практически одновременно сформулировали замечательные русские ученые Я.И. Фельдштейн (ИЗМИРАН) и О.В. Хорошева (НИИЯФ МГУ). Термин "авроральный овал" теперь широко используется в физике магнитосферы. По сути, это было последним великим географическим открытием, сделанным по наземным наблюдениям — только трансполярные спутники Земли сфотографировали нимб полярных сияний в виде замкнутого кольца над полюсом во время полярной ночи при повышенной магнитосферной возмущенности. Концепция окончательно утвердилась и стала общепринятой.

Воздав должное нашим учителям и предшественникам, вернемся на передний край исследования экзопланет — уже практически сформулирована рабочая гипотеза их поиска по наблюдениям полярных сияний в атмосферах! Эта гипотеза так проста и изящна, что наверняка послужит в ближайшем будущем открытию множества экзопланет, по крайней мере, в это очень хочется верить.

Итак, новейшая идея открытия планет у других звезд — по их полярным сияниям. Представим себе небо экзопланеты — холодного "юпитера", с семейством спутников, кружащихся вокруг него в магнитосфере, возмущаемой солнцеподобной звездой, извергающей вспышечные потоки в сильном звездном ветре. Сияющие вокруг полюсов, бегущие и колеблющиеся полосы света расцвечивают экзопланетное небо!

Так должно быть, но пока мы только описываем воображаемую картину. Для того чтобы подтвердить это, надо обеспечить регистрацию, произвести наблюдения реальных параметров протекающих авроральных событий! Как же добиться этого? Световой сигнал сияний все-таки очень слаб, он и не виден даже в освещенной полусфере на Земле в полярный день, а в отдаленном космосе световой сигнал авроры заведомо неразличим. Но полярные сияния генерируют не только электромагнитные волны видимого диапазона, но также и радиоволны! Это явление интригует исследователей: радиоволны прекрасно распространяются и несут информацию о породивших их процессах.

Если первоначально используемые методы обнаружения экзопланет давали сведения о массах планет и орбитальных параметрах, то радиоизлучение способно дать сведения, никак не отраженные в предыдущих методах. Во-первых, просто обнаружить невидимые экзопланеты. Во-вторых, по радиосигналам выявить продолжительность суток, оценить магнитосферные параметры, собственное магнитное поле экзопланеты, оценить воздействие звезды на ее магнитосферу, иногда даже выявить наличие у планеты спутников!

Именно так было впервые зарегистрировано полярное сияние на Юпитере — по радиоизлучению. Значит, дело только в усовершенствовании методов и точности приема радиосигналов малой мощности из глубин космоса.

Цветовые вариации авроры зависят от того, какая длина электромагнитной волны генерируется: кислород испускает квант в области зеленовато-желтой полосы, азот — в полосе красной или синей. А радиоволны излучаются еще в прелюдии — при вращении электронов вокруг силовых линий магнитного поля экзопланеты.

Полярные сияния наблюдались на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. При таком завидном согласии проявлений в Солнечной системе — почему же не ожидать подобного в семействах экзопланет у звезд, подобных нашему светилу? Скорее всего, там все повторимо. Похоже, что в некоторых случаях уже несколько раз наблюдались вспышки, которые могли быть вызваны аналогичными причинами.

Юпитер — ярчайший источник полярных сияний в Солнечной системе. Однако они генерируются преимущественно в ультрафиолете, который поглощается в атмосфере Земли, и поэтому его не видно. Впервые они были зафиксированы "Вояджером-1" в 1979 году. Сегодня их регистрирует космический телескоп "Хаббл" и рентгеновская орбитальная обсерватория "Чандра".

Ученые-планетологи смогли рассчитать магнитное поле планеты Юпитера задолго до отправки "Вояджера-1" к месту непосредственных измерений — по радиосигналам низкой частоты. Глубокое понимание физики Юпитера очень важно при изучении радиоданных, исходящих от других планет, тем более что большинство экзопланет напоминает скорее Юпитер, чем крошечную в сравнении с ним Землю.

Радиоволны обладают тем преимуществом, что если у планеты есть магнитное поле, то она способна испускать радиосигналы сильнее, чем звезды. Есть надежда на то, что имеются планеты с очень выраженным и сильным собственным радиоизлучением. Совсем наоборот в оптической и инфракрасной частях спектра (где в основном ищут экзопланеты) — там экзопланеты светятся гораздо слабее сияющего горячего светила.

По исходящим от экзопланеты радиоволнам можно определить частоту, с которой они излучаются авророй, а это зависит от напряженности магнитного поля. Радиоволны исходят в виде конического пучка лучей, вращающегося вместе с планетой. Для земного наблюдателя — это сигнал пульсации, по которой можно определить период вращения тела вокруг своей оси. Круговая поляризация сигнала поможет отличить излучение планеты от излучения звезды: у звезды оно, скорее всего, не поляризовано.

Первую группу, которая предприняла поиск экзопланет по радиоизлучению, возглавил Уильям Эриксон из Университета штата Мэриленд (США). Успешно обнаружив радиосигналы Юпитера, исследователи в 1977 году приступили к наблюдению за 22 ближайшими звездными объектами в радиообсерватории Кларк-лейк близ Боррего-Спрингса в Калифорнии. Чувствительность их радиотелескопа позволяла обнаружить полярные сияния, не менее чем в тысячу раз сильнее юпитерианских, но таковых обнаружено не было.

Тридцать пять лет спустя, в настоящее время, завершаетсястроительство радиотелескопа LOFAR, крупнейшего и самого чувствительного на частотах ниже 250МГц. Массив, на создание которого ушло десять лет, включает более 45 тысяч небольших антенн. Основная часть установлена в тихом заповеднике на северо-востоке Нидерландов, а остальные разбросаны по Франции, Германии, Швеции и Великобритании. Работа началась в декабре, и к поиску экзопланет планируется приступить в самом ближайшем будущем. Намечается интереснейший этап в решении не завершенной ранее задачи.

Рассмотрим пути решения проблемы. Экзопланета типа "юпитер" может генерировать мощное радиоизлучение в двух случаях. Во-первых, конфигурация магнитного поля планеты, расположенной неподалеку от звезды, может подвергаться сильному воздействию звездного ветра… Возникающие потоки заряженных частиц генерируют полярные сияния. Моделирование, проведенное коллегами Филиппом Заркá из Парижской обсерватории и Себастьяном Эссом из лаборатории LATMOS (Франция), показало, что таким образом можно определить наклон "горячего Юпитера" относительно плоскости орбиты, наклон магнитного поля относительно оси вращения, период вращения, орбитальный период и напряженность магнитного поля. Выявить все это иным способом — просто невозможно.

Характерно, что сильный всплеск радиоизлучения может быть связан со спутником планеты, это выявлено и для нашего Юпитера: сияния возникают в связи с тем, что вулканы Ио выбрасывают по направлению к Юпитеру тонну ионизированного газа ежесекундно! Джонатан Николс из Лестерского университета (Великобритания) произвел расчеты, в результате чего выявилось следующее. На силу радиоизлучения стимулированного полярного сияния влияют и скорость вращения планеты, и скорость оттока ионизированного газа с ее спутника, и орбитальное расстояние и ультрафиолетовая яркость звезды. Как полагает автор, подобные всплески на массивных и быстровращающихся планетах можно обнаружить на расстоянии до 150 световых лет. Пока подтверждений заметить не удалось, несмотря на постоянные поиски.

Валид Маджид из Лаборатории реактивного движения НАСА и его коллеги исследовали экзопланеты с помощью радиотелескопа GMRT, расположенного в 80 километрах к северу от Пуны (Индия). Главную причину неудачи исследователи видят в неспособности инструмента регистрировать достаточно низкие частоты. Например, Юпитер не излучает интенсивные радиоволны на частоте выше 40 МГц, а нижний предел возможностей GMRT — 50 МГц. У LOFAR этот показатель составляет 10 МГц, но атмосфера Земли блокирует частоты ниже 10 МГц. Значит, нужно выходить с измерениями в космос, и только космическая антенна обеспечит измерения в нужном диапазоне.

Валид Маджид предлагает установить антенну на Луне. Чувствительность телескопа можно улучшить установкой дополнительных антенн, а также путем выявления и устранения шумов в сигнале, вызванных другими источниками радиоволн. Валид Маджид уверен, что радиоастрономия справится с этой задачей, оборудовав не только LOFAR, но и телескоп SKA общей площадью около квадратного километра с антеннами в Южной Африке и Австралии.

Читайте также: Пришла весна, Уран сияет…

И если все-таки через несколько лет так ничего и не будет обнаружено, то, полагает оппонент Зарка, это произойдет из-за того, что реально нет всплесков подходящей мощности на экзопланетах, а вовсе не из-за несовершенства оборудования. Прогресс и важность исследований в диапазоне низких частот определяет радиоастрономию как передовую науку будущего десятилетия.