​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».
 
Расчет магнитосферы горячего юпитера HD209458b с магнитным полем величиной 0,3 Гс и 1 Гс на экваторе планеты. В цветовой шкале представлено распределение плотности (в ед. см^-3, логарифмическая шкала) и радиальной скорости течения плазмы (в ед. 10 км/с). Черным показаны силовые линии магнитного поля, серым — силовые линии невозмущенного дипольного поля. Полукруг в центре координат обозначает планету. 
Расчет магнитосферы горячего юпитера HD209458b с магнитным полем величиной 0,3 Гс и 1 Гс на экваторе планеты. В цветовой шкале представлено распределение плотности (в ед. см^-3, логарифмическая шкала) и радиальной скорости течения плазмы (в ед. 10 км/с). Черным показаны силовые линии магнитного поля, серым — силовые линии невозмущенного дипольного поля. Полукруг в центре координат обозначает планету.
 
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

Похожие новости

  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6523
  • 17/08/2021

    Сибирские ученые разработали новый способ подавления теплового сдвига в атомных часах

    Благодаря методу синтетической частоты, созданному сотрудниками Института лазерной физики СО РАН совместно с Национальным институтом метрологии Германии и Ганноверским университетом им. Лейбница, удастся значительно уменьшить погрешность атомных часов при нормальных условиях окружающей среды.
    478
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    984
  • 12/04/2019

    Как вычислить путь звезды

    Астрофизику сегодня невозможно представить без компьютерного моделирования: ученые воссоздают на ЭВМ космические процессы, не доступные для наблюдения, чтобы ставить эксперименты и подтверждать теории.
    1341
  • 29/04/2019

    Сибирские учёные участвуют в российских космических проектах

    Научные институты со ран работают в проектах «миллиметрон» и «федерация», наращивают группировку глонасс и не возражают против сотрудничества с частными космическими корпорациями. Первая в России негосударственная космическая компания появилась в Красноярске.
    1081
  • 19/06/2018

    Ученые ИАиЭ СО РАН помогут телескопу найти темную материю

    ​Специалисты Института автоматики и электрометрии СО РАН в сотрудничестве с немецкой компанией Dioptic разработали голограмму, чтобы настроить четырехлинзовый объектив. Он нужен для работы с ближнеинфракрасным спектрометром и фотометром нового космического телескопа "Евклид", задача которого - исследовать причины расширения Вселенной и найти темную материю.
    1401
  • 13/04/2021

    О «космических» разработках ИФП СО РАН рассказали на пресс-конференции ТАСС в Новосибирске

    Специалисты Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН совместно с ведущими научно-производственными организациями РФ создают полупроводниковые материалы для высоконадежной электроники, которая выдерживает радиационный фон за пределами Земли; гибкие и легкие солнечные элементы; делают компоненты для спутникового зрения  ―  матрицы, фоточувствительные в инфракрасном диапазоне; создают ключевые компоненты для атомных часов; разрабатывают комплекс научной аппаратуры для синтеза полупроводниковых структур в космосе.
    635
  • 26/10/2020

    Проект ФИЦ ИВТ признан лауреатом Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2020 г.

    ​Подведены итоги Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2020 г., проводящегося ежегодно с 2014 года при поддержке Правительства и Министерства энергетики Российской Федерации.
    717
  • 06/08/2019

    Новосибирские ученые начали разработку высокоэффективных компактных лазеров

    ​В последнее десятилетие во многих лабораториях мира активно исследуются возможности создания высокоэффективных, мощных и компактных лазеров, генерирующих пучки излучения в среднем инфракрасном диапазоне, в частности на длинах волн 3–8 мкм.
    1478
  • 20/04/2021

    «Экран ФЭП»: экологичная конкуренция, сотрудничество с государством и симбиоз с наукой

    Новосибирск занимает уникальное место на карте мирового рынка электронно-оптических преобразователей (ЭОП), применяемых в приборах ночного видения. Здесь сосредоточены три из четырех российских (а это примерно половина всех мировых) предприятий, выпускающих эти устройства.
    728