Астрономы впервые зафиксировали у звезды вызванные экзопланетой полярные сияния

Астрономы обнаружили необычное радиоизлучение от спокойной звезды, которое лучше всего объясняется взаимодействием с близкой планетой. В таком случае движение электронов вдоль линий магнитного поля порождает мощные сияния в радиодиапазоне у полюсов звезды. Подобный механизм известен в паре планета-спутник в Солнечной системе (Юпитер и Ио), но для пары звезда-экзопланета регистрируется впервые. Открытие может стать основой нового метода исследования внесолнечных планет, пишут авторы в журнале Nature Astronomy.

Как правило, обычные звезды не являются сильными источниками радиоволн с частотами ниже 150 мегагерц. Считается, что в случае наблюдения такого вида излучения, оно порождается в неоднородных областях короны на высотах как минимум одного радиуса светила. В частности, низкочастотное излучение Солнца можно использовать для определения структуры короны, выбросов массы и космической погоды.

Все зарегистрированные случаи заметного радиоизлучения звезд на гигагерцовых частотах связаны с нетепловыми процессами во внешних слоях. Более того, подавляющее большинство этих источников относятся к одному из типов объектов с магнитной активностью, таким как вспыхивающие звезды (AD Льва), светила с быстрым вращением (FK Волос Вероники) или тесные двойные (Алголь). На более низких частотах в сотни мегагерц единственным известным звездным источником радиоизлучения является вспыхивающая UV Кита — прототип соответствующего класса переменных.

Астрономы из пяти стран под руководством Хариша Ведантама (Harish Vedantham) из института ASTRON обнаружили при помощи европейского низкочастотного интерферометра LOFAR уникальный случай низкочастотного излучения от расположенного на расстоянии в восемь парсек одиночного красного карлика класса M под названием GJ 1151. Особой данную ситуацию делает тот факт, что у этой звезды спокойная атмосфера и слабое вращение, то есть она не способна самостоятельно породить столь мощные радиоволны.

Светило было найдено в рамках сопоставления объектов из каталога LOFAR со звездами не далее 20 парсек от Земли по данным спутника Gaia. Максимальное расстояние было выбрано для увеличения шансов обнаружения источников с небольшой абсолютной светимостью и уменьшения вероятности наложения различных источников. Радиоизлучение GJ 1151 было зафиксировано в одном сеансе наблюдений из четырех, проведенных в течение месяца. Оно обладало высокой степенью поляризации (64±6 процента), что вместе с высокой переменностью исключает случайное совпадение с внегалактическим объектом.

Помимо неподходящих для генерации радиоволн параметров GJ 1151, данное излучение оказалось не похожим на известные вспышки звезд, которые можно разделить на два широких типа. К первому относятся некогерентное гиросинхротронное излучение (подобное солнечным радиобурям), которое характеризуется низкой поляризацией, яркостной температурой не более 1010 кельвин, широкой спектральным диапазоном и продолжительностью во много часов. Второй класс — это когерентное излучение (подобное всплескам солнечного радиоизлучения) с высокой круговой поляризацией, узкой мгновенной полосой излучения и продолжительностью от секунд до минут. В отличие от этих двух видов, излучение GJ 1151 продолжалось более восьми часов, практически не зависело от частоты в диапазоне от 120 до 167 мегагерц и обладало высокой круговой поляризацией.

Астрономы пришли к выводу, что удовлетворительно объяснить это можно только предположением о наличии на близкой орбите экзопланеты, которая делает один оборот за несколько дней. В таком случае движение планеты сквозь магнитосферу звезды (а у карликов класса M обычно сильные магнитные поля) фактически создает электрический двигатель, подобный динамо-машине. В результате возникают сильные токи электронов, которые при приближении к магнитным полюсам звезды генерируют мощные радиоволны и сияния в ее атмосфере.

Подобный процесс известен в Солнечной системе — так возникает радиоизлучение Юпитера. Эта планета также обладает заметным магнитным полем, а связанная с постоянной вулканической активностью атмосфера у близко расположенного к газовому гиганту спутника Ио играет роль источника заряженных частиц. В итоге при подходящих условиях возникает электронная циклотронная мазерная неустойчивость, которая синхронизует фазы излучения заряженных частиц и приводит к направленному когерентному излучению. Оно фиксируется на Земле с периодичностью, соответствующей частоте обращения Ио вокруг Юпитера. Примечательно, что на низких частотах Юпитер даже оказывается ярче Солнца.

Аналогичное явление было предсказано для звезд более тридцати лет назад, но никогда ранее не наблюдалось. Авторы предполагают, что в данном случае излучение связано с полярными «радиосияниями» на звезде, но теоретически оно может быть связано и с магнитосферой планеты. Однако для этого магнитное поле экзопланеты должно быть весьма сильным, что может быть в случае горячего юпитера, а у карликов класса M гораздо чаще обнаруживают землеподобные планеты, для которых не предсказывается мощных магнитных полей.

По мере продолжения радиообзора на интерферометре LOFAR подобных систем будет открыто больше — около ста по оценкам астрономов. Так как все они относятся к солнечным окрестностям, то для них возможно изучение другими способами, в том числе методом лучевых скоростей. Это позволит независимо оценить период обращения экзопланеты и ее массу, благодаря чему можно будет проверить правильность модели.

Ранее астрономы выяснили, что магнитные поля горячих юпитеров в разы сильнее предсказаний теории, предложили искать экзопланеты с магнитным полем с помощью радиотелескопа FAST и обосновали защитную роль магнитного поля древней Земли.