Eksoplaneetat voisivat auttaa meitä oppimaan, kuinka planeetat tekevät magneettisuutta | Quanta-lehti

Vuosikymmenten ajan planeettojen magneettikentät ovat hämmentyneet tähtitieteilijöitä. Omassa aurinkokunnassamme ei ole sääntöä, joka selittäisi, mitkä maailmat synnyttävät nämä magneettiset vaipat: esimerkiksi maapallolla on sellainen, mutta sen sisarmaailmassa - Venuksessa - ei.

Tähtitieteilijät epäilevät, että yksi parhaista tavoista ymmärtää magnetismin mysteereitä voisi olla tutkia muita aurinkoja kiertäviä maailmoja. Keräämällä laskennan eksoplaneettojen magneettikentistä tutkijat voivat määrittää, ovatko ne muiden maailmojen yhteisiä piirteitä. Se auttaisi asettamaan aurinkokuntamme kontekstiin ja ratkaisemaan joitain pysyviä uteliaisuutta, sanoi Mary Knapp, tähtitieteilijä, joka tutkii eksoplaneettoja Massachusetts Institute of Technologyn Haystack Observatoriossa.

"Maa versus Venus on hyvä esimerkki - kaksi planeettaa, jotka ovat samankokoisia, melko samankaltaisia ​​koostumukseltaan, mutta villisti erilaisia ​​​​magneettikenttien suhteen", Knapp sanoi.

On ollut haastetta rakentaa tällainen väestölaskenta - ja jopa löytää eksoplaneetan magneettikenttiä - koska nämä kentät ovat heikkoja ja vaikeasti havaittavia. Mutta huhtikuussa kaksi riippumatonta ryhmää löysi magneettikentän, jonka kiviplaneetta oli tuottanut noin 12 valovuoden päässä olevaa pientä, himmeää punaista kääpiötähdettä. Planeetta, nimeltään YZ Ceti b, on hieman pienempi kuin Maa ja todennäköisesti liian kuuma tuntemamme elämälle. Magneettikentän löytäminen kivimaailmasta voisi kuitenkin kertoa meille enemmän siitä, miten magneettikentät muodostuvat ja kuinka ne vaikuttavat planeetan kehitykseen - ja jopa sen soveltuvuuteen elämään.

"Tiedämme aurinkokunnastamme, että magneettikentillä on tärkeä rooli siihen, miten planeetta menettää tai säilyttää ilmakehän ajan kuluessa", sanoi Jackie Villadsen, tähtitieteilijä Bucknellin yliopistossa ja yhden ryhmän jäsen. "Yritämme vastata kysymykseen: Kuinka yleisiä voimakkaat globaalit magneettikentät ovat Maan kaltaisilla planeetoilla?"

Radio Signals

Aurinkokunnassamme Maalla ja neljällä jättiläisplaneetalla – Jupiterilla, Saturnuksella, Uranuksella ja Neptunuksella – on merkittäviä magneettikenttiä. Merkuriuksella on vain heikko kenttä, ja Marsilla oli todennäköisesti aiemmin vahvempi kenttä, jonka se menetti syistä, joita ei täysin ymmärretä.

Planeetan magneettikenttiä tuottaa dynamo-moottori, joka on rakennettu sulasta metallista, joka pyörii planeetan ytimessä. Tämä pyörteily tuottaa sähkövirtoja, jotka ohjaavat magneettikenttää. Maapallolla ja neljällä kaasujättiläisellä tämä prosessi on riittävän vahva muodostamaan planeetan ympärille suojaavan kotelon, joka syrjäyttää varautuneita hiukkasia, jotka muuten puhaltaisivat pois planeettojen ilmakehän.

"Magneettiset kentät toimivat suojana säteilyltä", sanoi Ayan Biswas, tähtitieteilijä Queen's Universityssä Kanadassa. "Ne ovat erittäin tärkeitä elämän kannalta."

Tiedemiehet epäilevät, että monilla 5,000 tunnetusta eksoplaneettasta on magneettikenttiä, mutta niiden havaitseminen on eri asia. 1970issa, tähtitieteilijät olettivat, että kun planeetan magneettikenttä on vuorovaikutuksessa planeetan isäntätähden kanssa, se saattaa aiheuttaa havaittavissa olevan piikkien tähtien lähettämissä matalataajuisissa radioaaloissa, jotka tunnetaan auroraaleina. Näiden piikkien ajoitus Maasta katsottuna riippuisi planeetan sijainnista sen kiertoradalla - ne ovat kuin säännöllinen sormenjälki, joka paljastaa epäsuorasti planeetan läsnäolon.

Jo ennen ensimmäistä eksoplaneettojen löytöä vuonna 1992 "ihmiset ajattelivat, että tämä olisi todella hyvä tapa etsiä eksoplaneettoja", sanoi. Jake Turner, tähtitieteilijä Cornellin yliopistossa.

Tekniikka osoittautui vaikeaksi; eksoplanetaaristen magneettikenttien rautaisia ​​havaintoja ei ole tehty aiemmin, mutta lupaavia ehdokkaita on ollut.

Jevgenia Shkolnik, Arizonan osavaltion yliopiston astrofyysikko ja kollegat käyttivät neljän kuuman Jupiterin – tähtiensä lähellä kiertävien jättiläisplaneettojen – ilmakehän tietoja. saada aavistus magneettikentistä vuonna 2019. Vuonna 2021 Turnerin johtama ryhmä käytti Low Frequency Array (LOFAR) -teleskooppia Alankomaissa havaitakseen radiosignaalin liittyy planeetan magneettikenttään Tau Boötes -järjestelmässä, 51 valovuoden päässä Maasta. Ja myöhemmin vuonna 2021 Lotfi Ben-Jaffel Pariisin astrofysiikan instituutissa ja kollegoineen havaittu ultraviolettisäteily Neptunusta muistuttavalta planeetalta nimeltä HAT-P-11 b, 123 valovuoden päässä Maasta, mikä viittasi planeetan magnetosfääriin.

Mutta mikään havainnoista ei ollut lopullinen - eikä yksikään ollut kiviplaneetoista.

Puhelin Koti

Vuonna 2017 tähtitieteilijät löysivät juuri sellaisen järjestelmän, jota he tarvitsivat epäsuoraan havainnointiin, josta he olivat olettaneet lähes 50 vuoden ajan. Kolme kiviplaneettaa kiertää punaista kääpiötä YZ Cetia, kosmisen kivenheiton päässä. Järjestelmän läheisyys omaan tekee sen planeetoista käteviä kohteita – erityisesti YZ Ceti b:n, sisimmän planeetan. Lisäksi punaisilla kääpiöillä on tyypillisesti voimakkaammat magneettikentät kuin aurinkomme kaltaisilla tähdillä, mikä helpottaa kiertävän planeetan magneettikentän sormenjäljen tunnistamista. "Tämä oli yksi ensimmäisistä löydetyistä järjestelmistä, joka täyttää nämä kriteerit", Villadsen sanoi.

Nyt kaksi tiimiä on löytänyt todisteita YZ Ceti b:n tekemästä magneettikentästä. Molemmat ryhmät havaitsivat ajoittain radioaaltojen purkauksia, jotka näyttivät tapahtuvan, kun YZ Ceti b saavutti samanlaisen pisteen kaksipäiväisellä kiertoradalla tähden ympärillä. Yksi joukkueista - Villadsenin - havaitsi ilmaiseva radiosormenjälki käyttämällä Very Large Arraya New Mexicossa. "Olemme selvittäneet, että planeetta tarvitsee Maan kaltaisen magneettikentän voimakkuuden aiheuttaakseen tämän radioaaltojen kirkkauden", Villadsen sanoi.

Toinen joukkue, johon kuuluu Biswa, julkaisivat tuloksensa vähän sen jälkeen. Tämä ryhmä teki samanlaisia ​​​​havaintoja säännöllisistä radiopiikistä käyttämällä Giant Metrewave -radioteleskooppia Intiassa. "Olemme 99% varmoja, että [signaali] tulee planeetalta", Biswas sanoi.

Tulokset ovat lupaavia, sanoi Shkolnik, joka ei ollut mukana kummassakaan tutkimuksessa. "En pitäisi sitä vielä vahvistuksena, mutta se on hyvin vihjaileva", hän sanoi. Tarkempi havaitseminen vaatisi enemmän havaintoja tähdestä ja säännöllisistä radiopiikkeistä. Hän ja muut toivovat, että samanlaisia ​​havaintoja voidaan yrittää TRAPPIST-1-järjestelmä seitsemästä Maan kokoisesta maailmasta, jotka kiertävät punaista kääpiötä 40 valovuoden päässä Maasta, tai jopa punaista kääpiötä Proxima Centauria, joka on Maata lähin tähti 4.25 valovuoden etäisyydellä ja jolla on (todennäköinen) kiviplaneetta.

Kuuhun

Eksoplanetaaristen magneettikenttien löytäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan ymmärtää, kuinka yleisiä ne ovat ja kuinka planeetat tekevät magnetismia. "Meillä ei todellakaan ole hämmästyttävää ymmärrystä siitä, kuinka nämä asiat syntyvät planeetoilla", sanoi Robert Kavanagh, tähtitieteilijä Leidenin yliopistossa Hollannissa.

Aurinkokunnassamme dynamo näyttää olevan avainasemassa. Mutta dynamo ei ehkä ole ainoa tapa luoda planeetan magneettikenttä, etenkään "supermailla" - maailmoissa, jotka ovat massaltaan Maan ja Neptunuksen välissä - jotka ovat yleisimpiä tähän mennessä havaittuja eksoplaneettatyyppejä. Miki Nakajima, planeettatieteilijä Rochesterin yliopistosta, tutkii, voisivatko planeetan lämmönvaihtelut toimia maailmoissa, joissa on sulanut sisäpuoli, mutta joissa ei ole kiinteää ydintä. "Olen kiinnostunut siitä, voiko magmameri tuottaa magneettikentän", hän sanoi ja huomautti, että "magmavaltamerten pitäisi olla melko yleisiä supermailla."

Mutta tähtitieteilijät sanovat, että tarvitaan uusia tekniikoita muuttamaan haku kertahavainnoista sellaiseksi väestönlasketukseksi, jota he toivovat.

Yksi idea, jota Knapp työstää, nimeltään GO-LOW, käyttäisi tuhansia pieniä avaruusaluksia tutkimaan eksoplaneettojen radioaaltoja. Toinen idea on FARSIDE, a ehdotettu radiojärjestelmä NASAlta, joka sijoitettaisiin kuun toiselle puolelle, ilman radiohäiriöitä Maasta. Jos jokin näistä hankkeista toteutuu, tähtitieteilijät saattavat ratkaista nämä pysyvät mysteerit – tai paljastaa vieläkin hämmentävämmän joukon epämallisia nautintoja.

"Löydetäänkö maapalloja, joissa on Jupiterin kokoisia kenttiä, vai Jupitereita, joissa on Maan kokoisia kenttiä?" Knapp sanoi. "En tiedä, mutta haluaisin todella tietää."