Полярното сияние разкрива тайните на екзопланети

Високо в небето танцуват гигантски цветни ленти. Прекрасна нощ за любителите на полярното сияние! Ивиците червено стават сини и отново червени, пробягва облак. В нощното небе зад тях присветват звезди. Пълната луна се повдига над хоризонта, величествено изгряват още два полумесеца…

Добре дошли на една от екзопланетите!

Такива са открити над 850 – основно благодарение на колебанията на светлината на звездите или кратките затъмнения на светилата. Тези методи са способни да разкажат за масата на планетата и радиуса на орбитата й. Други подробности теоретично може да се почерпят от анализа на атмосферата на няколко достатъчно големи и близки до нас планети.

Най-новата идея е изучаването на полярното сияние. Там още никой не го е виждал, тъй като светлината е прекалено слаба, за да измине разстоянието дори от най-близката до нас екзопланета. Но полярните сияния излъчват радиовълни и точно за тях искат да тръгнат на лов изследователите.

Радиоизлъчването е способно да даде огромно количество информация, която е недостъпна за други методи. По такъв начин може да се открият, първо, все още невидими светове. А второ, да се изчисли продължителността на денонощията, да се измери силата на магнитното поле, да се получат представи за вътрешните процеси, управляващи магнитното поле, да се изясни как планетата взаимодейства със звездата и дори да се открият нейни спътници.

На Земята полярните сияния са резултат от сблъсък на електрони, ускорени от слънчевия вятър, с молекулите на газа в горните слоеве на атмосферата. Цветът на сиянието зависи от това на каква дължина на вълнàта се излъчва светлината – кислородът дава зелено-жълт, азотът – червен или син. А радиовълните се излъчват още преди това – когато електроните се въртят около линиите на магнитното поле на планетата.

Полярни сияния са забелязвани също на Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Има всички основания да се очаква, че на някои екзопланети също ще бъдат открити такива, тъй като няколко пъти са наблюдавани изблици, свързани вероятно с взаимодействието на магнитните полета на звездите и планетите.

Най-ярките сияния в Слънчевата система се случват на Юпитер. Вярно, не можем да ги наблюдаваме от Земята, защото там преобладава ултравиолетовото сияние, неспособно да проникне през нашата атмосфера. За първи път сме успели да ги видим благодарение на „Вояджър 1” през 1979 година. Днес ни помагат космическият телескоп „Хъбъл” и рентгеновата орбитална обсерватория „Чандра”.

Но още преди това сме знаели за полярните сияния на Юпитер по радиосигналите с ниска честота. Именно те са позволили да се изчисли магнитното поле на планетата дълго преди изпращането на „Вояджър 1” за непосредствени измервания.

Радиовълните имат това преимущество, че ако планетата има магнитно поле, то тя е способна да изпуска радиосигнали по-силно, отколкото звездата, докато в оптичния и инфрачервения диапазон (където основно се търсят екзопланети) тя е по-слаба от яркото и горещо светило. И нашето разбиране за Юпитер много би ни помогнало в интерпретацията на радиовълните, получени от други планети, тъй като повечето от откритите досега тела напомнят по-скоро Юпитер, отколкото Земята.

В областта на ниските честоти (от порядъка на няколко десетки мегахерца) радиоизлъчването на Юпитер става толкова ярко, колкото слънчевото, но това е малко – ако той се намираше около друга звезда, нищо нямаше да забележим. Остава да се надяваме, че има планети, чието радиоизлъчване е още по-силно.

Какво и как може да се определи по радиовълните? Например честотата, с която те се излъчват от сиянието, зависи от напрежението на магнитното поле. За щастие те излизат във вид на конически лъчи, които се въртят заедно с планетата. За земния наблюдател това изглежда като пулсация, по която може да се изчисли периодът на въртене на тялото около своята ос.

Същевременно сигналът е кръгово поляризиран, тъй като електричното поле също се върти. Така може да се отличи излъчването на планетата от това на звездата – последното не е поляризирано, тъй като става изхвърляне на електрони през външната атмосфера.

Първата група, която се е занимавала с търсене на екзопланети по радиовълните, е била оглавявана от Уилям Ериксън от университета на Мериленд (САЩ). Вдъхновени от успешното откриване на радиосигнали от Юпитер през 1977 г., изследователите пристъпват към наблюдението на 22 близки звезди с радиообсерваторията Кларк лейк близо до Борего Спрингс в Калифорния. Чувствителността на радиотелескопа открила полярно сияние, хиляда пъти по-силно от юпитерианското, но нищо не се получило.

Сега, 35 години по-късно, интересът към радиоизлъчването на полярните сияния се завръща във връзка със строителството на LOFAR – най-големия и чувствителният на честоти под 250 мегахерца. Масивът, чието създаване е отнело десет години, включва над 45 000 малки антени. Основната им част е установена в Североизточна Холандия, а останалите са разхвърляни из Франция, Германия, Швеция и Великобритания. Работата е започнала през декември и в най-скоро време ще се пристъпи към търсенето на екзопланети.

Планета, подобна на Юпитер, е способна на мощно радиоизлъчване в два случая. Първо, конфигурацията на магнитното поле на планетата, разположена недалеч от своята звезда, може силно да пострада от слънчевия вятър. В резултат възникват потоци заредени частици, които могат да доведат до полярно сияние. Моделиране, проведено от Филип Зарк от Парижката обсерватория и Себастиян Ес от лабораторията LATMOS (и двете във Франция), показало, че така може да се определят наклонът на „горещия Юпитер” спрямо плоскостта на орбитата, наклонът на магнитното поле спрямо оста на въртене, периодът на въртене, орбиталният период и напрежението на магнитното поле. Невъзможно е да се открие всичко това по друг начин.

Второ, силното радиоизлъчване, може да е свързано със спътник на планетата, което е характерно за нашия Юпитер. Там полярните сияния възникват във връзка с това, че вулканите на Йо всяка секунда изхвърлят по посока към планетата тон йонизиран газ.

Джонатан Никълс от Лестърския университет (Великобритания) е изчислил, че върху силата на радиоизлъчването на такова полярно сияние влияят скоростта на въртене на планетата, скоростта на йонизирания газ от нейния спътник и орбиталното разстояние, както и ултравиолетовата яркост на звездата. Според специалиста подобни изблици на масивни и бързо въртящи се планети може да се открият на разстояние до 150 астрономически единици (1 а.е. = 150 млн. км).

Все още не е открито нищо подобно, независимо от постоянните търсения. Валид Маджид от Лабораторията за реактивни двигатели на НАСА и колегите му са разгледали шест екзопланети с радиотелескопа GMRT, разположен на 80 км северно от Пуна (Индия). Главната причина на неуспеха си изследователите виждат в неспособността на инструмента да регистрира достатъчно ниски честоти. Например Юпитер не излъчва интензивни радиовълни на честота над 40 мегахерца, а долната граница на възможностите на GMRT са 50 MHz. При LOFAR този показател е 10 MHz, но атмосферата на Земята блокира честотите под 10 MHz, затова е необходима космическа антена. Маджид предлага тя да бъде поставена на Луната.

Чувствителността на телескопа влияе и на способността да се наблюдават радиосигнали от полярни сияния. Този показател може да се подобри с монтирането на допълнителни антени, както и чрез идентифициране и отстраняване на шумовете в сигнала, предизвикани от други източници на радиовълни.

Маджид е сигурен, че радиоастрономията ще се справи с тази задача не само с LOFAR, но и с телескопа SKA с обща площ около един квадратен километър и антени в Южна Африка и Австралия. И ако след няколко години така и не открием нищо, това ще е само защото няма изблици с подходяща мощност, а не заради несъвършени инструменти.

Неслучайно радиоастрономията на ниски честоти се смята за напредналата наука на бъдещото десетилетие.

Източник: NewScientist