Dziwne wiatry ujawniają magnetyczne egzoplanety

Astronomowie po raz pierwszy uzyskali mocne dowody na to, że część egzoplanet posiada własne pola magnetyczne – podobne w sile do tych w Układzie Słonecznym. Zespół korzystający z teleskopów ESO VLT w Chile i Gemini North na Hawajach zmierzył prędkości wiatrów na siedmiu skrajnie gorących jowiszach i odkrył, że to właśnie magnetyzm najsprawniej wyjaśnia ich zaskakujące zachowanie.

Wizja artystyczna gorącego Jowisza z polem magnetycznym, z zaznaczonymi liniami pola, strumieniami zjonizowanego gazu i rozświetlonymi zorzami nad terminatorem między stroną dzienną i nocną. Źródło: ESO/M. Kornmesser, L. Calcada

Gorące jowisze pod ostrzałem wiatru

Badane planety to tzw. ultra gorące jowisze – masywne gazowe olbrzymy krążące bardzo blisko swoich gwiazd, zwykle w czasie zaledwie kilku dni. Są one pływowo związane z gwiazdą, czyli podobnie jak Księżyc względem Ziemi zawsze pokazują jej tę samą stronę – jedna półkula tonie w wiecznym dniu, druga w niekończącej się nocy. Taki skrajny kontrast temperatur między stroną dzienną a nocną napędza potężne wiatry, które przenoszą rozgrzaną materię z dnia na noc.

Zespół Julii Seidel zmierzył, że prędkości tych wiatrów sięgają od około 7200 km/h do ponad 25 000 km/h – kilkukrotnie więcej niż na Jowiszu w naszym Układzie. To środowisko ekstremalne, w którym atmosfera jest częściowo zjonizowana, a prądy elektryczne i pola magnetyczne mogą grać kluczową rolę w jej dynamice.

Jak zmierzyć wiatr na odległym świecie?

Astronomowie nie widzą wiatru bezpośrednio, ale pośrednio – przez przesunięcie linii widmowych gazu w atmosferze planety. Wykorzystali do tego spektrograf ESPRESSO na VLT oraz podobny instrument na Gemini North, które pozwalają niezwykle precyzyjnie mierzyć prędkości dopplerowskie. Obserwując planety w różnych fazach orbitalnych, można prześledzić, jak rozkład gazu w atmosferze przekłada się na obserwowany sygnał i tym samym oszacować kierunek oraz prędkość przepływów.

Początkowo celem zespołu było sprawdzenie, czy atmosfery wszystkich gorących jowiszów wieją podobnie – czy istnieje uniwersalny wzorzec cyrkulacji. Ku ich zaskoczeniu okazało się, że im cieplejsza planeta, tym wolniejsze są wiatry, choć intuicyjnie więcej energii powinno je raczej przyspieszać. Ta nieoczekiwana zależność stała się pierwszą wskazówką, że w grę wchodzi mechanizm hamujący ruch materii.

Magnetyczny hamulec w atmosferze

Najspójniejszym wyjaśnieniem obserwowanego spowalniania wiatrów okazały się rozległe pola magnetyczne planet. W bardzo gorących atmosferach cząsteczki gazu są częściowo zjonizowane, a więc poruszają się jak naładowane cząstki w plazmie – ich ruch łatwo jest hamowany przez linie pola magnetycznego poprzez tzw. opór magnetohydrodynamiczny. Analizując, jak prędkości wiatrów zależą od temperatury, badacze mogli odtworzyć, jak silne muszą być pola magnetyczne, by wytłumaczyć dane.

Okazało się, że uzyskane wartości są porównywalne z tymi znanymi z Układu Słonecznego: mniej więcej cztery razy silniejsze niż pole Saturna albo około połowy pola Jowisza. To pierwszy raz, kiedy udało się wyciągnąć ilościowy wniosek o sile magnetyzmu egzoplanet bezpośrednio z obserwacji ich atmosfer. Wyniki zostały opisane w artykule Magnetic field strengths of hot giant exoplanets consistent with Solar System values opublikowanym w Nature Astronomy.

Dlaczego pola magnetyczne egzoplanet są ważne?

Na Ziemi wiemy, że nasze pole magnetyczne jest jednym z kluczowych składników przepisu na zdatność do zamieszkania: chroni atmosferę przed zdzieraniem przez wiatr słoneczny i współtworzy z zorzami polarnymi spektakularne, ale też fizycznie istotne zjawiska. Podobne mechanizmy działają na innych planetach Układu Słonecznego, np. Jowisz i Saturn mają potężne pola magnetyczne i rozbudowane systemy zórz polarnych.

Choć badane ultra gorące jowisze nie nadają się do życia, sama metoda otwiera nową drogę do badania magnetyzmu bardziej umiarkowanych światów. W przyszłości, zwłaszcza z pomocą budowanego teleskopu ESO ELT, podobne analizy mogą objąć także mniejsze planety – skaliste, w ekosferze – pozwalając sprawdzać, które z nich mają ochronny magnetyczny parasol. Zespół podkreśla też, że silne pola magnetyczne mogą generować na tych egzoplanetach wyjątkowo spektakularne zorze, rozświetlające niebo nad planetą, która w połowie zawsze jest w dniu, a w połowie w nocy.