Den här illustrationen visar en het Jupiter som kretsar så nära en röd dvärgstjärna att bådas magnetfält interagerar, producerar aktivitet på stjärnan. Astrofysiker har använt den aktiviteten för att beräkna fältstyrkor i fyra heta Jupiters stjärn- och planetsystem. Kredit:NASA, ESA och A. Schaller (för STScI)
Gasjätteplaneter som kretsar nära andra stjärnor har kraftfulla magnetfält, många gånger starkare än vår egen Jupiter, enligt en ny studie av ett team av astrofysiker. Det är första gången dessa fälts styrka har beräknats från observationer.
Laget, ledd av Wilson Cauley vid University of Colorado, inkluderar även docent Evgenya Shkolnik vid Arizona State Universitys School of Earth and Space Exploration. De andra forskarna är Joe Llama från Northern Arizona University och Antonino Lanza från Astrophysical Observatory of Catania i Italien. Deras rapport publicerades den 22 juli Natur astronomi .
"Vår studie är den första som använder observerade signaler för att härleda exoplanets magnetfältstyrkor, " säger Shkolnik. "Dessa signaler verkar komma från interaktioner mellan stjärnans magnetfält och den tätt kretsande planeten."
Många världar
Fler än 3, 000 exoplanetsystem som innehåller över 4, 000 planeter har upptäckts sedan 1988. Många av dessa stjärnsystem inkluderar vad astronomer kallar "heta Jupiters". Dessa är massiva gasformiga planeter som antas vara som solens Jupiter men som kretsar kring sina stjärnor på nära avstånd, vanligtvis ungefär fem gånger stjärnans diameter, eller ungefär 20 gånger månens avstånd från jorden.
Sådana planeter färdas bra inuti sin stjärnas magnetfält, där interaktioner mellan planetfältet och stjärnan kan vara kontinuerliga och starka.
Den här illustrationen visar en het Jupiter som kretsar så nära en röd dvärgstjärna att bådas magnetfält interagerar, producerar aktivitet på stjärnan. Astrofysiker har använt den aktiviteten för att beräkna fältstyrkor i fyra heta Jupiters stjärn- och planetsystem. Kredit:NASA, ESA och A. Schaller (för STScI)
Tidigare studier, laget säger, har satt övre gränser för exoplanets magnetfält, till exempel från radioobservationer eller enbart härledda från teori.
"Vi kombinerade mätningar av ökad stjärnemission från de magnetiska stjärn-planetinteraktionerna tillsammans med fysikteori för att beräkna magnetfältstyrkorna för fyra heta Jupiters, " säger huvudförfattaren Cauley.
De magnetiska fältstyrkorna som laget fann sträcker sig från 20 till 120 gauss. För jämförelse, Jupiters magnetfält är 4,3 gauss och jordens fältstyrka är bara en halv gauss, även om det är tillräckligt starkt för att orientera kompasser över hela världen.
Utlösande aktivitet
Astrofysikerna använde teleskop på Hawaii och Frankrike för att få högupplösta observationer av utsläpp från joniserat kalcium (Ca II) i moderstjärnorna till de fyra heta Jupiters. Utsläppet kommer från en stjärnas heta, magnetiskt uppvärmd kromosfär, ett tunt lager gas ovanför den kallare stjärnytan. Observationerna låter teamet beräkna hur mycket energi som frigjordes i stjärnornas kalciumutsläpp.
Säger Shkolnik, "Vi använde kraftuppskattningarna för att beräkna magnetfältstyrkorna för planeterna med hjälp av en teori för hur planeternas magnetfält interagerar med de stjärnmagnetiska fälten."
Heta Jupiters (röda prickar) är stora planeter som liknar vår Jupiter, men kretsar nära deras stjärnor. Fyra heta Jupiters har magnetfältstyrkor mycket större än jordens, Saturnus, Uranus, eller Neptunus - eller till och med Jupiter själv. Den vänstra skalan visar fältstyrka i gauss, den nedre skalan visar omloppsavstånd från stjärnan i astronomiska enheter; Jorden kretsar runt solen vid 1 AU. Kredit:Wilson Cauley/University of Colorado
Cauley förklarar, "Magnetiska fält gillar att vara i ett tillstånd av låg energi. Om du vrider eller sträcker fältet som ett gummiband, detta ökar energin som lagras i magnetfältet." Heta Jupiters kretsar mycket nära sina moderstjärnor och så kan planetens magnetfält vrida och sträcka ut stjärnans magnetfält.
"När detta händer, "Cauley säger, "energi kan frigöras när de två fälten återansluts, och detta värmer stjärnans atmosfär, öka kalciumutsläppen."
Sonande djupt
Astrofysiker har misstänkt att heta Jupiters skulle som vår egen Jupiter, har magnetiska fält producerade djupt inuti dem. De nya observationerna ger den första sonden av den inre dynamiken hos dessa massiva planeter.
"Detta är den första uppskattningen av magnetfältstyrkorna för dessa planeter baserat på observationer, så det är ett stort språng i vår kunskap, Shkolnik konstaterar. "Det ger oss en bättre förståelse för vad som händer inuti dessa planeter."
Hon tillägger att det också borde hjälpa forskare som modellerar de interna dynamoerna hos heta Jupiters. "Vi visste ingenting om deras magnetfält - eller andra exoplanetmagnetiska fält - och nu har vi uppskattningar för fyra faktiska system."
Denna simulering visar hur en het Jupiters magnetfält skulle interagera med dess värdstjärnas magnetfält. Den nya studien fann att sådana interaktioner förbättras eftersom minst fyra heta Jupiters har större beräknade magnetfältstyrkor än man tidigare trott. Kredit:Antoine Strugarek/CEA Saclay/Université de Montréal
Överraskande kraftfull
Fältstyrkorna, laget säger, är större än man kan förvänta sig med tanke på enbart planetens rotation och ålder. Standard dynamoteorin för planetariska magnetfält förutsäger fältstyrkor för de samplade planeterna som är mycket mindre än vad laget fann.
Istället, observationerna stödjer tanken att planetariska magnetfält beror på mängden värme som rör sig genom planetens inre. Eftersom de absorberar mycket extra energi från sina värdstjärnor, heta Jupiters bör ha större magnetfält än planeter med liknande massa och rotationshastighet.
"Vi är glada över att se hur väl storleken på fältvärdena motsvarade de som förutspåddes av den interna värmeflödesteorin, ", säger Shkolnik. "Detta kan också hjälpa oss att arbeta mot en tydligare förståelse av magnetfält runt tempererade stenplaneter."
