Полярное сияние раскроет секреты экзопланет

Высоко в небе танцуют, мерцая, гигантские цветные ленты. Хорошая ночь для любителей полярного сияния! Полосы красного становятся голубыми и красными вновь, бегут облака. В ночном небе за ними сверкают звёзды. Полная луна поднимается над горизонтом, величественно встают ещё два полумесяца...

Добро пожаловать на одну из экзопланет. Таковых найдено более 850 — в основном благодаря наблюдениям колебаний света звёзд или кратких затмений светил. Эти методы способны рассказать о массе планеты и радиусе её орбиты. Другие подробности теоретически можно почерпнуть из анализа атмосферы немногих достаточно больших и близких к нам планет.

Самая новая идея — изучение полярного сияния. Никто его там пока не видел, потому что свет слишком слаб, чтобы пройти расстояние даже от ближайшей к нам экзопланеты. Но авроры к тому же излучают радиоволны — вот за чем хотели бы поохотиться исследователи.

Полярное сияние на Юпитере было впервые зарегистрировано по его радиоизлучению. Таким же образом можно было бы найти его на экзопланетах.

Радиоизлучение способно дать огромное количество информации, которая недоступна для других методов. Таким образом можно было бы обнаружить, во-первых, пока ещё невидимые миры. А во-вторых — вычислить продолжительность суток, измерить силу магнитного поля, получить представление о внутренних процессах, управляющих магнитным полем, выяснить, как планета взаимодействует со звездой, и даже открыть её спутники.

На Земле полярные сияния становятся результатом столкновения электронов, ускоренных солнечным ветром, с молекулами газа в верхних слоях атмосферы. Цвет авроры зависит от того, на какой длине волны излучается свет: кислород даёт зеленовато-жёлтый, азот — красный или синий. А радиоволны излучаются ещё до этого — когда электроны вращаются вокруг линий магнитного поля планеты.

Полярные сияния замечены также на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. Есть все основания ожидать, что по крайней мере на некоторых экзотелах будет то же самое, ведь несколько раз наблюдались вспышки, вызванные, возможно, взаимодействием магнитных полей звезды и планеты.

Самыми яркими аврорами в Солнечной системе обладает Юпитер. Правда, наблюдать их с Земли мы не можем, потому что там преобладает ультрафиолетовое сияние, не способное пройти через нашу атмосферу. Впервые мы увидели их благодаря «Вояджеру-1» в 1979 году. Сегодня нам помогают космический телескоп «Хаббл» и рентгеновская орбитальная обсерватория «Чандра».

Но ещё до этого мы знали о полярном сиянии на Юпитере по радиосигналам низкой частоты. Именно они позволили рассчитать магнитное поле планеты задолго до отправки «Вояджера-1» к месту непосредственных измерений.

Радиоволны обладают тем преимуществом, что если у планеты есть магнитное поле, то она способна испускать радиосигналы сильнее, чем звезды, тогда как в оптической и инфракрасной частях спектра (где в основном ищут экзопланеты) она слабее яркого и горячего светила. И наше понимание Юпитера очень пригодилось бы в интерпретации радиоданных, полученных от других планет, тем более что большинство из обнаруженных до сих пор тел напоминает скорее Юпитер, чем Землю.

В области низких частот (в районе нескольких десятков мегагерц) радиоизлучение Юпитера становится столь же ярким, как солнечное, но этого мало: если бы он находился у другой звезды, мы бы ничего не заметили. Остаётся надеяться на то, что есть планеты, у которых радиоизлучение ещё сильнее.

Но что и как можно определить по радиоволнам? Например, частота, с которой они излучаются авророй, зависит от напряжённости магнитного поля. К счастью, они исходят в виде своего рода конических лучей, которые вращаются вместе с планетой. Для земного наблюдателя это выглядит как пульсация, по которой можно рассчитать период вращения тела вокруг своей оси.

Сигнал к тому же циркулярно поляризованный, ведь электрическое поле тоже вращается. Тем самым можно отличить излучение планеты от такового звезды: последнее не поляризовано, поскольку производится выбросом электронов сквозь внешнюю атмосферу.

Первую группу, которая занималась поиском экзопланет по радиоволнам, возглавил Уильям Эриксон из Университета штата Мэриленд (США). Вдохновлённые успешным обнаружением радиосигналов Юпитера исследователи в 1977 году приступили к наблюдению за 22 ближайшими звёздами с помощью радиообсерватории Кларк-лейк близ Боррего-Спрингса в Калифорнии. Чувствительность радиотелескопа позволяла обнаружить полярные сияния не менее чем в тысячу раз сильнее юпитерианских, но ничего не вышло.

Сейчас, 35 лет спустя, интерес к радиозлучению аврор возвращается в связи с завершением строительства радиотелескопа LOFAR — крупнейшего и самого чувствительного на частотах ниже 250 МГц. Массив, на создание которого ушло десять лет, включает более 45 тыс. 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.

Полярное сияние на Юпитере — самое яркое в Солнечной системе. (Изображение Chandra X-ray Observatory Center.)

Планета, подобная Юпитеру, способна к мощному радиоизлучению в двух случаях. Во-первых, конфигурация магнитного поля планеты, расположенной неподалёку от звезды, может сильно пострадать от солнечного ветра. В результате возникают потоки заряженных частиц, которые могут привести к полярному сиянию. Моделирование, проведённое Филиппом Заркá из Парижской обсерватории и Себастьяном Эссом из лаборатории LATMOS (оба — Франция), показало, что таким образом можно определить наклон «горячего Юпитера» относительно плоскости орбиты, наклон магнитного поля относительно оси вращения, период вращения, орбитальный период и напряжённость магнитного поля. Выявить всё это иным способом невозможно.

Во-вторых, сильный всплеск радиоизлучения может быть связан со спутником планеты, что характерно для нашего Юпитера. Там авроры возникают в связи с тем, что вулканы Ио каждую секунду выбрасывают по направлению к планете тонну ионизированного газа. Джонатан Николс из Лестерского университета (Великобритания) рассчитал, что на силу радиоизлучения такого полярного сияния влияют скорость вращения планеты, скорость оттока ионизированного газа с её спутника и орбитальное расстояние, а также ультрафиолетовая яркость звезды. По мнению специалиста, подобные всплески на массивных и быстровращающихся планетах можно обнаружить на расстоянии до 150 световых лет.

Пока ничего подобного заметить не удалось, несмотря на постоянные поиски. Валид Маджид из Лаборатории реактивного движения НАСА и его коллеги рассмотрели полдюжины экзопланет с помощью радиотелескопа GMRT, расположенного в 80 км 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, поэтому нужна космическая антенна. Г-н Маджид предлагает поставить её на Луне.

Чувствительность телескопа влияет, конечно же, и на способность наблюдать радиосигналы полярного сияния. Улучшить этот показатель можно установкой дополнительных антенн, а также путём выявления и устранения шумов в сигнале, вызванными другими источниками радиоволн. Г-н Маджид уверен, что радиоастрономия справится с этой задачей, запустив не только LOFAR, но и телескоп SKA общей площадью около квадратного километра с антеннами в Южной Африке и Австралии. И если мы через несколько лет так ничего и не найдём, то, полагает г-н Зарка, это произойдёт из-за того, что нет всплесков подходящей мощности, а вовсе не из-за несовершенства оборудования.

Не случайно радиоастрономия низких частот порой называется передовой наукой будущего десятилетия.

Подготовлено по материалам NewScientist.