Плазменный ветер

Сотрудники Института лазерной физики СО РАН в лабораторных условиях моделируют плазменный ветер, аналогичный тому, что испускают объекты в сотнях световых лет от Земли. Эти исследования имеют большое значение для изучения состава и динамики верхней атмосферы разных классов экзопланет, в том числе потенциально пригодных для жизни.

«Экзопланеты — это планеты вне Солнечной системы, расположенные около других звезд, — рассказывает заместитель директора по научной работе ИЛФ СО РАН доктор физико-математических наук Ильдар Фаритович Шайхисламов. — Обнаружить их довольно сложно, поэтому космические и наземные телескопы отслеживают не сами объекты, а блеск звезд, вокруг которых они вращаются. Проходя перед диском звезды, планета частично затеняет ее, образуя провал на графике светимости. По ширине, глубине и периодичности этого провала можно судить о размерах планеты и параметрах ее орбиты. Только в последние десятилетия развитие технологий позволило достичь необходимой чувствительности и точности астрономических наблюдений, так что эта область науки очень молодая».

Наиболее изученным классом экзопланет являются газовые гиганты, называемые горячими юпитерами. Они располагаются очень близко к материнским звездам: в десять раз ближе, чем Меркурий к Солнцу. Под действием ионизирующего излучения их атмосфера нагревается до сверхвысоких температур: от 1 000 до 4 000 °C. Такие экзопланеты обнаружить проще всего: они имеют небольшой период вращения вокруг звезд — несколько дней, и, кроме того, из-за теплового расширения их радиус намного шире, благодаря чему эти объекты затеняют звезды в определенных спектральных интервалах гораздо сильнее.
 
Подобно Солнцу, горячие экзопланеты выбрасывают в космическое пространство потоки плазмы: под действием ионизирующего излучения материнских звезд их атмосфера нагревается и испытывает сверхзвуковое истечение. «О плазменном ветре экзопланет нам пока практически ничего не известно, поскольку получать качественные наблюдательные данные об этом объекте очень сложно, — говорит Ильдар Шайхисламов. — Изучать явление детально можно только с помощью лабораторных экспериментов и численного моделирования».
 
В рамках проекта «Экзосфера горячих экзопланет и ее наблюдательные проявления», поддержанного грантом РНФ, физики моделируют условия, близкие к тем, что могут существовать в окрестности горячих экзопланет. «У Земли и ряда других планет Солнечной системы имеется дипольное магнитное поле, — комментирует Ильдар Шайхисламов, — предполагается, что и у экзопланет оно может существовать. С помощью особых источников плазмы на конструкции магнитного диполя мы смоделировали высокоскоростной энергетический поток. Аналогичные эксперименты проводились в Японии и США, но мы применили оригинальный подход, благодаря которому удалось получить действительно мощный поток плазмы в сильном магнитном поле. В ходе эксперимента мы наблюдали рождение особой магнитной структуры — магнитодиска».
Изначально исследователи не предполагали, что в ходе экспериментов могут образовываться подобные структуры. Магнитодиски встречаются в Солнечной системе, например на Юпитере, но применительно к экзопланетам они не были изучены. Однако из теоретических работ сотрудников Института космических исследований в Граце Австрийской академии наук новосибирские ученые узнали, что это возможно.
 
В ходе последующих лабораторных экспериментов физики измерили параметры магнитодиска и описали его свойства. Оказалось, что он может сильно менять структуру магнитного поля на далеких расстояниях и влиять на формирование магнитосферы — как и было предсказано в теории. По результатам этих работ сотрудники ИЛФ СО РАН в соавторстве с зарубежными коллегами опубликовали статью в Astrophysical Journal, описывающую результаты лабораторного эксперимента применительно к экзопланетам класса горячих юпитеров. 

«Единственное, чего мы не могли воспроизвести в лабораторных экспериментах, — это гравитация, — рассказывает Ильдар Шайхисламов, — смоделировать ее невозможно, хотя этот параметр также имеет важное значение: сверхзвуковое течение плазмы формируется в условиях определенного баланса верхней атмосферы между гравитацией планеты и нагревом звездным излучением».

Кооперация ученых, принимающих участие в исследовании, довольно широка. Помимо коллег из Австрии в связке с новосибирскими физиками работают сотрудники ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Следующий этап исследований состоял в численном моделировании атмосферы горячих экзопланет, в том числе с учетом гравитации и вращения планеты, к которому подключились математики из Института вычислительных технологий СО РАН.
 
По словам Ильдара Шайхисламова, эта работа имеет большие перспективы. «Знания, полученные нами, имеют универсальный характер и чрезвычайно важны для всей астрофизики в целом. Построив экспериментальные и численные модели, которые будут охватывать все стороны явления, мы получим возможность делать заключения о температуре, концентрации и других параметрах плазменного ветра, — отмечает он. — Более того, взаимодействие обширной планетарной плазмосферы с потоком звездной плазмы вызывает интересные наблюдательные проявления. Например, телескоп Хаббл зарегистрировал значительное поглощение в линии Лайман-альфа атома водорода, вызванное таким взаимодействием. Это открывает перспективы мониторинга космической погоды вокруг других звезд, что является важным фактором для обитаемости экзопланет».
 
Юлия Клюшникова