夜景无线电可以帮助揭示遥远太阳系外行星的细节

系外行星的磁层活动

莱斯大学(Rice University)的科学家增强了能够探测系外行星磁层活动的模型。这些模型添加了来自夜间活动的数据,这些数据至少可以将信号提高一个数量级。在这张图中,行星的恒星在左上角,而彩虹斑块是射电发射强度,大部分来自于夜面。白线是磁力线。资料来源:安东尼·西奥拉/莱斯大学

Rice团队加强了探测遥远太阳系磁层的模型。

我们目前还无法探测到它们,但来自遥远太阳系的无线电信号可以提供有关它们行星特征的有价值的信息。

莱斯大学的科学家们发表的一篇论文描述了一种更好地确定哪些系外行星最有可能产生可检测信号的方法,该方法基于系外行星的磁层活动,之前这些行星的夜景被折扣了。

研究水稻校友安东尼•Sciola今年春天他获得博士学位,并指导作者和空间等离子体物理学家弗兰克•Toffoletto表明,虽然广播排放的光面的系外行星似乎马克斯在高的太阳活动,那些从阴面信号可能会显著增加。

这引起了系外行星群体的兴趣,因为某颗行星磁层的强度表明了它受到来自其恒星的太阳风的保护的程度,就像地球磁场保护我们一样。

在一颗恒星的适居带内运行的行星,如果没有足够强的磁层证据,可能会被认为不适合居住,适居带的条件可能会产生生命。Sciola说,磁场强度数据也将有助于模拟行星内部,并了解行星是如何形成的。

这项研究发表在《天体物理学杂志》上

安东尼Sciola

莱斯大学研究生安东尼·西奥拉(Anthony Sciola)在冰岛的冷谷(Kaldidalur)开发了一个数值模型,以加强对系外行星的无线电信号的分析。虽然获取这些数据的仪器还没有,但它们可以帮助确定哪些行星有保护性磁层。资料来源:Anthony Sciola/Rice大学

地球的磁层并不完全是一个球体;它是一组彗星形状的磁力线,在行星白天的一面被压缩,在夜晚的一面逐渐消失,留下了漩涡特别是在日冕物质抛射等太阳活动期间。每颗行星周围的磁层都会发出我们所说的无线电波,行星的轨道离太阳越近,发出的电波就越强。

基于辐射波德定律,天体物理学家对我们自身系统的行星磁层有了很好的理解。辐射波德定律是一种用来建立太阳风和轨道上行星射电辐射之间线性关系的分析工具。近年来,研究人员试图将该定律应用于系外行星系统,但收效甚微。

托弗莱托说:“科学界已经根据我们对太阳系的了解,使用了经验法则的经验模型,但它有点平均和平滑。”“一个包含所有这些尖刺行为的动态模型可能意味着信号实际上比这些旧模型显示的要大得多。安东尼正在将这一研究推向极限,以了解如何检测来自系外行星的信号。”

肖拉说,目前的分析模型主要依赖于预计来自系外行星极地地区的放射物,即我们在地球上看到的极光。这项新的研究将一个数值模型添加到那些估计极地区域排放的模型中,以提供一个更完整的关于整个系外行星周围排放的图像。

他说:“我们添加了一些只有在太阳活动非常活跃时才会出现在较低区域的特征。”

他说,事实证明,夜面辐射不一定来自于一个大的点,比如北极周围的极光,而是来自磁层的不同部分。在强烈的太阳活动存在的情况下,这些夜面黑子的总和至少可以使地球的总排放量增加一个数量级。

“它们非常小,而且偶尔发生,但是当你把它们加起来,它们会产生很大的影响,”正在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室继续工作的Sciola说。“你需要一个数值模型来解决这些事件。在这项研究中,Sciola使用了多尺度大气地球空间环境(MAGE),该系统由应用物理实验室的地球空间风暴中心(CGS)开发,该中心与Rice空间等离子体物理小组合作。

“我们基本上是在确认更极端的系外行星模拟的分析模型,但增加了额外的细节,”他说。“我们的结论是,我们正在进一步关注当前模型的限制因素,但在某些情况下,你可以得到比限制因素所暗示的更多的排放。”

他指出,新模型最适用于系外行星系统。“你需要离得很远才能看到效果,”他说。我们很难知道全球范围内发生了什么;这就像坐在屏幕旁边看电影一样。你只得到了一小部分。”

此外,来自类地系外行星的无线电信号可能永远无法从地球表面探测到,肖拉说。“地球的电离层阻挡了它们,”他说。“这意味着我们甚至不能从地面上看到地球自身的无线电发射,即使它很近。”

探测来自系外行星的信号需要一组复杂的卫星或在月球背面安装一个装置。“这将是一个很好的、安静的地方来制造阵列,不会受到地球电离层和大气的限制,”肖拉说。

他说,观测者相对于系外行星的位置也很重要。“发射是‘定向发射’的,”肖拉说。“它就像一座灯塔:如果你与光束成一直线,你就能看到光,但如果你在灯塔的正上方,就看不到光了。”因此,更好地了解信号的预期角度,将有助于观察员确定他们是否在观察特定的系外行星。”

参考文献:“在系外行星射电发射的数值模拟中结合内磁层电流驱动的电子加速”,作者:Anthony Sciola、Frank Toffoletto、David Alexander、Kareem Sorathia、Viacheslav Merkin和Alison Farrish, 2021年6月15日,《天体物理学杂志》上
1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / abefd9

这篇论文的合著者是赖斯大学的研究生艾莉森·法里什(Alison Farrish)和大卫·亚历山大(David Alexander),他们是赖斯太空研究所的物理学和天文学教授兼主任,以及约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的计算物理学家卡里姆·索拉西亚(Kareem Sorathia)和物理学家维亚切斯拉夫·梅金(Viacheslav Merkin)。

美国国家科学基金会和美国宇航局支持这项研究。

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