Découverte sans précédent : des astronomes découvrent la première ceinture de rayonnement au-delà de notre système solaire

Sep 08, 2023

Par Arizona State University23 mai 2023

Vue d'artiste d'une aurore sur la naine brune LSR J1835+3259 et sa ceinture de radiation environnante. Crédit : Chuck Carter, Melodie Kao, Fondation Heising-Simons

For the first time, astronomers have discovered a radiation belt outside our solar system, around a brown dwarf called LSR J1835+3259. The belt is 10 million times more intense than 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 et représente une étape cruciale dans l'exploration de planètes potentiellement habitables de la taille de la Terre. La découverte a été rendue possible grâce à un réseau mondial de 39 paraboles radio.

Les ceintures de rayonnement sont des structures magnétiques en forme de beignet enveloppant une planète qui sont remplies d'électrons et de particules chargées à très haute énergie.

Originally discovered first around Earth in 1958 with the Explorer 1 and 3 satellites, radiation belts are now known to be a common feature in the solar system: All of the planets with large-scale magnetic fields — including Earth, Jupiter, SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn, UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus, and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Neptune - les avoir. Cependant, aucune ceinture de rayonnement n'a été clairement observée en dehors de notre système solaire jusqu'à présent.

Une petite équipe d'astronomes, dirigée par Melodie Kao, anciennement de l'Arizona State University et maintenant 51 Pegasi b Fellow à l'Université de Californie, Santa Cruz, et comprenant le professeur Evgenya Shkolnik de l'École d'exploration terrestre et spatiale de l'ASU, a découvert le premier ceinture de rayonnement à l'extérieur de notre système solaire. Les résultats ont été publiés le 15 mai dans la revue Nature.

La découverte a été faite autour de la "naine brune" LSR J1835+3259, qui est à peu près de la même taille que Jupiter mais beaucoup plus dense. Située à seulement 20 années-lumière dans la constellation de la Lyre, elle n'est pas assez lourde pour être une étoile, mais elle est trop lourde pour être une planète. Parce que les ceintures de rayonnement n'avaient jamais été clairement visibles en dehors de notre système solaire, on ne savait pas si elles pouvaient exister autour d'objets autres que des planètes.

"Il s'agit d'une première étape essentielle 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 Shkolnik, qui étudie les champs magnétiques et l'habitabilité des exoplanètes depuis de nombreuses années.

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

Bien qu'invisible à l'œil humain, la ceinture de radiation découverte par cette équipe est une structure géante. Son diamètre extérieur s'étend sur au moins 18 diamètres de Jupiter, et les régions intérieures les plus brillantes sont séparées par 9 diamètres de Jupiter. Constituée de particules voyageant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et brillantes aux longueurs d'onde radio, cette ceinture de rayonnement extrasolaire récemment découverte est près de 10 millions de fois plus intense que celle de Jupiter, qui est elle-même des millions de fois plus brillante que celle de la Terre et présente les particules les plus énergétiques de n'importe quelle planète du système solaire.

The team captured three high-resolution pictures of the radio-emitting electrons trapped in LSR J1835+3259's magnetosphere over the course of a year using an observing technique now famous for imaging our galaxy's black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">trou noir.

En coordonnant 39 antennes paraboliques couvrant Hawaï jusqu'en Allemagne pour fabriquer un télescope de la taille de la Terre, l'équipe a résolu l'environnement magnétique dynamique de la naine brune, connu sous le nom de "magnétosphère", le premier observé en dehors du système solaire. Ils pouvaient même voir la forme de ce champ magnétique suffisamment clairement pour déduire qu'il s'agissait probablement d'un champ magnétique dipolaire comme celui de la Terre et de Jupiter.

"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. Notre image est comparable à la lecture de la rangée supérieure d'un diagramme oculaire en Californie tout en se tenant à Washington, DC", a déclaré le co-auteur, le professeur Jackie Villadsen de l'Université Bucknell.

Cependant, Kao et son équipe ont eu les premiers indices qu'ils trouveraient une ceinture de radiation autour de cette naine brune. Au moment où l'équipe a effectué ces observations en 2021, les radioastronomes avaient déjà observé que le LSR J1835 + 3259 émettait deux types d'émissions radio détectables. Kao elle-même faisait partie d'une équipe qui a confirmé six ans auparavant que son émission radio clignotant périodiquement, semblable à un phare, était une aurore aux fréquences radio.

Mais le LSR J1835 + 3259 avait également des émissions radio plus stables et plus faibles. Les données ont montré que ces émissions plus faibles ne peuvent pas provenir d'éruptions stellaires et sont, en fait, très similaires aux ceintures de rayonnement de Jupiter.

Les découvertes de l'équipe suggèrent qu'un tel phénomène pourrait être plus universel qu'on ne le pensait initialement - se produisant non seulement sur les planètes mais aussi sur les naines brunes, les étoiles de faible masse et peut-être même les étoiles de très grande masse.

La région autour du champ magnétique d'une planète - la magnétosphère - y compris celle de la Terre, peut protéger l'atmosphère et les surfaces de la planète des dommages causés par les particules solaires et cosmiques à haute énergie.

"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.

En plus de la ceinture de rayonnement observée, leurs recherches ont révélé la différence dans les "formes" et l'emplacement spatial d'une aurore (semblable aux aurores boréales de la Terre) par rapport à une ceinture de rayonnement d'un objet en dehors de notre système solaire.

"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. "Une analogie est que les ceintures de rayonnement sont comme les" mètres "des planètes vivant dans le voisinage de notre système solaire, sauf qu'au lieu de fleurs, nous avons des particules énergétiques qui brillent à différentes longueurs d'onde et luminosités.

"Les propriétés particulières de chaque ceinture de rayonnement nous disent quelque chose sur les ressources énergétiques, magnétiques et particulaires de cette planète : à quelle vitesse elle tourne, quelle est la force de son champ magnétique, à quelle distance elle vit du soleil, si elle a des lunes qui peuvent fournir plus de particules ou des anneaux comme ceux de Saturne qui les absorberont, et plus encore. ed par des exoplanètes."

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

This work is 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.

L'équipe était dirigée par Melodie Kao, anciennement boursière postdoctorale Hubble de la NASA à l'ASU, et actuellement boursière Heising-Simons 51 Pegasi b à l'UC Santa Cruz, et se compose d'Amy Mioduszewski, scientifique associée à l'Observatoire national de radioastronomie, du professeur Jackie Villadsen à l'Université Bucknell et du professeur Evgenya Shkolnik à l'ASU. Ils ont utilisé le Karl G. Jansky Very Large Array, le Very Long Baseline Array et le Robert C. Byrd Greenbank Telescope gérés par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO) aux États-Unis et le radiotélescope Effelsberg exploité par le Max Planck Institute for Radio Astronomy en Allemagne pour le High Sensitivity Array.