L’imagerie haute résolution des émissions radio d’une naine ultrafroide montre une structure à double lobe comme les ceintures de radiation de Jupiter

“Nous imaginons en fait la magnétosphère de notre cible en observant le plasma radio-émetteur – 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’UC Santa Cruz et première auteure d’un article sur les nouvelles découvertes publié le 15 mai 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 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.

“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 exoplanètes géantes gazeuses – 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 la prochaine génération très 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.

Kao a souligné que cette découverte était un véritable effort d’équipe, s’appuyant fortement sur l’expertise d’observation du co-premier auteur Amy Mioduszewski au NRAO dans la planification de l’étude et l’analyse des données, ainsi que sur l’expertise des éruptions stellaires à plusieurs longueurs d’onde de Villadsen et Shkolnik. Ce travail a été soutenu par la NASA et la Fondation Heising-Simons.