Магнитные поля замедлили мощные ветра на ультрагорячих юпитерах

Астрономы определили, что на семи ультрагорячих юпитерах наблюдается уменьшение скоростей ветров при увеличении равновесной температуры. Такое явление может объясняться только тормозящим влиянием планетарного магнитного поля, оценки напряженности которого оказались очень малыми и сравнимыми с полями Юпитера и Сатурна. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Магнитные поля — одно из ключевых свойств экзопланет, которое может многое рассказать об их эволюции и природе. В частности, благодаря магнитным полям небольшие экзопланеты, похожие на Землю, смогут эффективно удерживать или даже поддерживать атмосферу, что влияет на потенциальную обитаемость, а на экзопланетах вблизи звезд возникают полярные сияния, доступные для регистрации. В случае крупных экзопланет, таких как газовые гиганты, магнитное поле влияет как на внутреннюю структуру, так и на атмосферные потоки, что, к примеру, наблюдалось в случае Юпитера. Однако к настоящему времени удалось лишь косвенно оценить напряженности магнитных полей для некоторых короткопериодных экзогигантов (раз и два) и коричневых карликов, регистрируя радиоизлучение от них, возникающее при взаимодействии магнитного поля экзопланеты со звездой.

Для горячих экзогигантов измерения магнитных полей важны для проверки моделей, объясняющих их увеличенное, по сравнению с теоретическими ожиданиями, распухание за счет омических потерь при взаимодействии ветров и планетарного магнитного поля, что создает внутренний источник тепла. С одной стороны, разные теории предсказывают разные напряженности магнитных полей для этого класса экзопланет (от менее чем нескольких гаусс до сотен гаусс), с другой — измерения магнитных полей у данных объектов сложны из-за необходимости учета звездной активности и индуцированных полей, возникающих из-за высокой ионизации планетарной атмосферы звездой.

Группа астрономов во главе с Юлией Зайдель (Julia V. Seidel) из обсерватории Лазурного берега опубликовала результаты измерений напряженности магнитных полей в атмосферах семи ультрагорячих юпитеров: WASP-76b, KELT-20b, WASP-121b, WASP-178b, TOI-1518b, HAT-P-70b и WASP-189b. Исследователи работали со спектроскопическими данными наблюдений за линиями железа, полученными прибором MAROON-X, установленном на телескопе «Джемини-Север», и приборе ESPRESSO, установленном на наземном комплексе телескопов VLT. Исходная выборка включала в себя еще одиннадцать ультрагорячих и горячих юпитеров, которые ученые исключили из дальнейшего рассмотрения по ряду причин: от чрезмерных помех наблюдениям со стороны звезды до слишком необычных свойств самой экзопланеты, как в случае KELT-9b. 

Исследователи рассуждали следующим образом. Огромные уровни разогрева атмосфер этих экзопланет за счет излучения родительских звезд в сочетании с приливным захватом создают мощные ветра, движущиеся с дневной стороны на ночную и отвечающие за теплоперенос. В стандартной гидродинамической модели скорость таких ветров должна увеличиваться с повышением равновесной температуры, однако из-за термической ионизации атмосферных щелочных металлов, степень которой растет с увеличением температуры, возникнут токи, чье взаимодействие с магнитным полем экзопланеты приведет к уменьшению скорости ветра с повышением равновесной температуры.

Измеренные средние скорости ветра вблизи терминатора (границы для и ночи) для семи ультрагорячих юпитеров составили от менее чем двух (WASP-189 b) до семи (WASP-76 b) километров в секунду. Для сравнения, максимальная скорость земных ветров не превышает 150 метров в секунду. При этом скорости ветров уменьшались при увеличении равновесной температуры. Эту закономерность не могут объяснить модели торможения за счет ударных волн или гидродинамической сдвиговой неустойчивости, в то время как модель торможения за счет магнитного поля хорошо подходит. 

После этого ученые подсчитали, что наблюдения за ветрами охватывали диапазоны атмосферных давлений от 1 до 100 мбар, с максимумом вблизи 30 мбар. Это дало возможность связать скорость ветра с напряженностью магнитного поля в этих слоях атмосферы: для пяти экзопланет с равновесной температурой от 2200 до 2500 кельвин напряженность постоянного магнитного поля составила не более двух гаусс, а для еще двух, наиболее горячих — до шести гаусс. 

Такие значения близки к значениям, характерным для полей вблизи экваторов Юпитера или Сатурна, и исключают применимость моделей очень горячих экзогигантов с полями на уровне в десятки или сотни гаусс. Кроме того, слабые магнитные поля ультрагорячих юпитеров естественным образом объясняют и отсутствие подтвержденных случаев регистрации радиоизлучения от этих экзопланет — частота излучения будет близка к критической, при которой радиоволна не уходит в космос, а отражается от ионосферы.

Будущие покорители Марса смогут увидеть полярные сияния — оказалось, что не все они наблюдаются в диапазонах, недоступных человеческому глазу.