Des astronomes découvrent la première ceinture de rayonnement en dehors de notre système solaire

Par University of California - Santa Cruz30 mai 2023

Vue d'artiste d'une aurore et de la ceinture de rayonnement environnante du LSR nain ultrafroid J1835+3259. Crédit : Chuck Carter, Melodie Kao, Fondation Heising-Simons

High-resolution imaging of radio emissions from an ultracool dwarf shows a double-lobed structure like the radiation belts of JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter.

Une équipe d'astronomes a observé avec succès la première ceinture de rayonnement en dehors de notre système solaire, en utilisant un réseau de 39 paraboles radio. La ceinture de radiation, trouvée autour d'une naine ultrafroide, est similaire à celle de Jupiter mais 10 millions de fois plus brillante. Cette percée dans l'étude des champs magnétiques des corps célestes pourrait contribuer à la compréhension de l'habitabilité des exoplanètes.

Les astronomes ont décrit la première ceinture de rayonnement observée en dehors de notre système solaire, en utilisant un réseau coordonné de 39 paraboles radio d'Hawaï à l'Allemagne pour obtenir des images haute résolution. Les images d'émissions radio persistantes et intenses d'une naine ultrafroide révèlent la présence d'un nuage d'électrons à haute énergie piégés dans le puissant champ magnétique de l'objet, formant une structure à double lobe analogue aux images radio des ceintures de rayonnement de Jupiter.

"We are actually imaging the magnetosphere of our target by observing the radio-emitting plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> plasma - sa ceinture de rayonnement - dans la magnétosphère. Cela n'a jamais été fait auparavant pour quelque chose de la taille d'une planète géante gazeuse en dehors de notre système solaire", a déclaré Melodie Kao, boursière postdoctorale à l'Université de Californie à Santa Cruz et première auteure d'un article sur les nouvelles découvertes publié en mai. 15 en nature.

Des champs magnétiques puissants forment une "bulle magnétique" autour d'une planète appelée magnétosphère, qui peut piéger et accélérer les particules jusqu'à une vitesse proche de la lumière. Toutes les planètes de notre système solaire qui ont de tels champs magnétiques, y compris la Terre, ainsi que Jupiter et les autres planètes géantes, ont des ceintures de rayonnement constituées de ces particules chargées à haute énergie piégées par le champ magnétique de la planète.

Les premières images d'une ceinture de rayonnement extrasolaire ont été obtenues en combinant 39 radiotélescopes pour former un télescope virtuel couvrant le globe d'Hawaï à l'Allemagne. Crédit : Melodie Kao, Amy Mioduszewski

Les ceintures de rayonnement terrestre, connues sous le nom de ceintures de Van Allen, sont de grandes zones en forme de beignet de particules de haute énergie capturées par les vents solaires par le champ magnétique. La plupart des particules des ceintures de Jupiter proviennent des volcans de sa lune Io. Si vous pouviez les mettre côte à côte, la ceinture de rayonnement que Kao et son équipe ont imaginée serait 10 millions de fois plus brillante que celle de Jupiter.

Les particules déviées par le champ magnétique vers les pôles génèrent des aurores ("aurores boréales") lorsqu'elles interagissent avec l'atmosphère, et l'équipe de Kao a également obtenu la première image capable de faire la différence entre l'emplacement de l'aurore d'un objet et ses ceintures de rayonnement en dehors de notre système solaire .

La naine ultrafroide imagée dans cette étude chevauche la frontière entre les étoiles de faible masse et les naines brunes massives. "Bien que la formation des étoiles et des planètes puisse être différente, la physique à l'intérieur de celles-ci peut être très similaire dans cette partie molle du continuum de masse reliant les étoiles de faible masse aux naines brunes et aux planètes géantes gazeuses", a expliqué Kao.

Caractériser la force et la forme des champs magnétiques de cette classe d'objets est un terrain largement inexploré, a-t-elle déclaré. En utilisant leur compréhension théorique de ces systèmes et des modèles numériques, les planétologues peuvent prédire la force et la forme du champ magnétique d'une planète, mais ils n'ont pas eu un bon moyen de tester facilement ces prédictions.

La ceinture de rayonnement électronique et l'aurore d'un nain ultrafroid ont été imagées en combinant 39 radiotélescopes pour former un télescope virtuel couvrant le globe d'Hawaï à l'Allemagne. Crédit : Melodie Kao, Amy Mioduszewski

"Les aurores peuvent être utilisées pour mesurer la force du champ magnétique, mais pas la forme. Nous avons conçu cette expérience pour présenter une méthode d'évaluation des formes des champs magnétiques sur les naines brunes et éventuellement les exoplanètes", a déclaré Kao.

La force et la forme du champ magnétique peuvent être un facteur important pour déterminer l'habitabilité d'une planète. "Lorsque nous pensons à l'habitabilité des exoplanètes, le rôle de leurs champs magnétiques dans le maintien d'un environnement stable est quelque chose à considérer en plus de choses comme l'atmosphère et le climat", a déclaré Kao.

Pour générer un champ magnétique, l'intérieur d'une planète doit être suffisamment chaud pour contenir des fluides conducteurs d'électricité, ce qui dans le cas de la Terre est le fer fondu dans son noyau. Dans Jupiter, le fluide conducteur est l'hydrogène sous une telle pression qu'il devient métallique. L'hydrogène métallique génère probablement aussi des champs magnétiques dans les naines brunes, a déclaré Kao, tandis qu'à l'intérieur des étoiles, le fluide conducteur est de l'hydrogène ionisé.

Le nain ultrafroid connu sous le nom de LSR J1835 + 3259 était le seul objet dont Kao était convaincu qu'il fournirait les données de haute qualité nécessaires pour résoudre ses ceintures de radiation.

"Maintenant que nous avons établi que ce type particulier d'émission radio à faible niveau et en régime permanent trace des ceintures de rayonnement dans les champs magnétiques à grande échelle de ces objets, lorsque nous voyons ce type d'émission de naines brunes - et éventuellement de gaz exoplanètes géantes - nous pouvons dire avec plus de confiance qu'elles ont probablement un grand champ magnétique, même si notre télescope n'est pas assez grand pour en voir la forme", a déclaré Kao, ajoutant qu'elle attend avec impatience le moment où le Next Generation Very Large Array , actuellement en cours de planification par l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO), peut imager de nombreuses autres ceintures de rayonnement extrasolaire.

"Il s'agit d'une première étape critique pour trouver de nombreux autres objets de ce type et perfectionner nos compétences pour rechercher des magnétosphères de plus en plus petites, nous permettant finalement d'étudier celles de planètes potentiellement habitables de la taille de la Terre", a déclaré le co-auteur Evgenya Shkolnik de l'Arizona State University. qui étudie depuis de nombreuses années les champs magnétiques et l'habitabilité des planètes.

L'équipe a utilisé le High Sensitivity Array, composé de 39 paraboles radio coordonnées par le NRAO aux États-Unis et le radiotélescope Effelsberg exploité par l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne.

"En combinant des antennes paraboliques du monde entier, nous pouvons créer des images incroyablement haute résolution pour voir des choses que personne n'a jamais vues auparavant. Notre image est comparable à la lecture de la rangée supérieure d'un tableau des yeux en Californie tout en se tenant à Washington, DC, " a déclaré le co-auteur Jackie Villadsen de l'Université Bucknell.

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Les astronomes découvrent la première ceinture de rayonnement au-delà de notre système solaire.

Référence : "L'imagerie résolue confirme une ceinture de rayonnement autour d'un nain ultracool" par Melodie M. Kao, Amy J. Mioduszewski, Jackie Villadsen et Evgenya L. Shkolnik, 15 mai 2023, Nature.DOI : 10.1038/s41586-023-06138-w

Kao emphasized that this discovery was a true team effort, relying heavily on the observational expertise of co-first author Amy Mioduszewski at NRAO in planning the study and analyzing the data, as well as the multiwavelength stellar flare expertise of Villadsen and Shkolnik. This work was supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA et la Fondation Heising-Simons.