银河系充满了可能产生自己磁场的外星世界——天文学家只需要找到它们。
Allison Li/广达杂志
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几十年来，天文学家一直对行星磁场感到困惑。在我们自己的太阳系中，没有任何规则可以解释哪些世界会产生这些磁鞘：例如，地球就有一个，但它的姊妹世界金星却没有。
天文学家怀疑，了解磁性奥秘的最佳方法之一可能是研究绕其他太阳运行的世界。通过收集系外行星磁场的普查，研究人员可以确定它们是否是其他世界的共同特征。麻省理工学院海斯塔克天文台研究系外行星的天文学家玛丽·纳普说，这样做将有助于了解我们太阳系的背景并解决一些长期存在的好奇心。
“地球与金星就是一个很好的例子——两颗行星大小相似，成分相当相似，但磁场却截然不同，”纳普说。
建立这样的普查——甚至找到系外行星磁场——都是一个挑战，因为这些磁场微弱且难以探测。但今年 4 月，两个独立团队发现了似乎是由一颗岩石行星产生的磁场特征，该行星绕着一颗暗淡的小红矮星运行，距离地球约 12 光年。这颗行星名为 YZ Ceti b，比地球稍小，而且可能太热，不适合我们所知的生命存在。然而，在岩石世界上发现磁场可以告诉我们更多关于磁场如何形成以及它们如何影响行星演化的信息，甚至它是否适合生命。
“我们从太阳系知道，随着时间的推移，磁场在影响行星如何失去或保留大气层方面发挥着重要作用，”巴克内尔大学天文学家、其中一个团队的成员杰基·维拉森说。 “我们试图回答这个问题：类地行星上的强全球磁场有多常见？”
无线电信号
在我们的太阳系中，地球和四颗巨行星——木星、土星、天王星和海王星——都具有显着的磁场。水星只有微弱的磁场，而火星过去很可能有一个更强大的磁场，但由于尚不完全清楚的原因而失去了这种磁场。
行星磁场是由称为发电机的发动机产生的，该发动机是由行星核心中搅拌的熔融金属制成的。这种搅拌会产生驱动磁场的电流。在地球和四个气态巨行星上，这个过程足够强大，足以在行星周围形成一个保护茧，使带电粒子偏转，否则这些粒子会吹走行星的大气层。
梅里尔谢尔曼/广达杂志
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“磁场就像辐射的屏障，”加拿大女王大学的天文学家阿扬·比斯瓦斯说。 “它们对生命非常重要。”
科学家怀疑 5000 颗已知系外行星中的许多都有磁场，但探测它们却是另一回事。在 20 世纪 70 年代，天文学家推测，当行星磁场与行星的主恒星相互作用时，可能会在恒星发出的低频无线电波中产生可观察到的尖峰，即极光发射。从地球上看，这些尖峰的时间取决于行星在轨道上的位置——它们就像一个周期性的指纹，间接揭示了行星的存在。
甚至在 1992 年首次发现系外行星之前，“人们就认为这将是寻找系外行星的一个非常好的方法，”康奈尔大学的天文学家杰克·特纳 (Jake Turner)说。
事实证明这项技术很困难。在此之前，还没有对系外行星磁场进行过可靠的探测，但已经出现了有希望的候选者。
亚利桑那州立大学的天体物理学家Evgenya Shkolnik及其同事利用四颗热木星（靠近恒星运行的巨行星）的大气数据来获取 2019 年磁场的线索。2021 年，特纳领导的团队使用低频荷兰的 Array (LOFAR) 望远镜探测与距地球 51 光年的 Tau Bootes 系统中行星磁场相关的无线电信号。 2021 年晚些时候，巴黎天体物理研究所的Lotfi Ben-Jaffel及其同事检测到一颗名为 HAT-P-11 b 的类海王星行星发出的紫外线，距离地球 123 光年，这暗示了该行星的磁层。
但这些探测结果都不是确定的——而且都不是岩石行星。
巴克内尔大学的天文学家杰基·维拉森正在研究岩石系外行星上的磁场。
作者：艾米丽·潘恩/巴克内尔大学
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电话之家
2017 年，天文学家找到了他们近 50 年来所假设的间接观测类型所需的系统。三颗岩石行星围绕红矮星鲸鱼座 YZ 运行，距离宇宙一箭之遥。该系统与我们太阳系的距离很近，使其行星成为方便的目标——尤其是最内层的行星 YZ Ceti b。此外，红矮星的磁场通常比太阳等恒星更强，这使得识别绕轨道运行的行星磁场的指纹变得更容易。 “这是最早发现的符合这些标准的系统之一，”维拉森说。
现在，两个团队已经发现了 YZ Ceti b 产生磁场的证据。两个团队都发现了周期性的无线电波爆发，这些无线电波似乎是在鲸鱼座 YZ b 在其围绕恒星的两天轨道上到达相似点时发生的。其中一个团队——维拉森的团队——使用新墨西哥州的甚大阵列检测到了泄露秘密的无线电指纹。 “我们计算出，这颗行星需要类似于地球的磁场强度才能产生如此亮度的无线电波，”维拉森说。
包括比斯瓦斯在内的另一支球队不久后公布了他们的结果。该小组使用印度巨型米波射电望远镜对周期性射电尖峰进行了类似的观察。 “我们 99% 确定（信号）来自地球，”比斯瓦斯说。
Ayan Biswas 和同事检测到来自系外行星 YZ Ceti b 的磁场指纹。
由阿扬·比斯瓦斯提供
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没有参与这两项研究的什科尔尼克说，结果是有希望的。 “我还不认为这是一个确认，但它非常有启发性，”她说。更明确的探测需要对恒星和周期性射电尖峰进行更多观察。她和其他人希望对TRAPPIST-1 系统进行类似的观测，该系统由七个地球大小的世界组成，围绕距离地球 40 光年的红矮星运行，甚至对红矮星比邻星（距离地球最近的恒星，距地球 4.25 光年）也能进行类似的观测。光年，其中有一颗（可能的）岩石行星。
到月球
寻找系外行星磁场对于了解它们的普遍程度以及行星如何产生磁性至关重要。荷兰莱顿大学的天文学家罗伯特·卡瓦纳说：“我们对行星上这些东西是如何产生的还没有真正令人惊奇的了解。”
在我们的太阳系中，发电机似乎是关键。但发电机可能并不是产生行星磁场的唯一方法，尤其是在“超级地球”（质量介于地球和海王星之间的世界）中，它们是迄今为止发现的最常见的系外行星类型之一。罗切斯特大学的行星科学家中岛美纪（Miki Nakajima）正在研究行星内部的热波动是否可以在内部熔化但缺乏固体核心的世界中发挥作用。 “我对岩浆海洋是否能产生磁场感兴趣，”她说，并指出“岩浆海洋在超级地球中应该很常见。”
但天文学家表示，需要新技术将搜索从一次性探测转变为他们希望的普查类型。
Knapp 正在研究的一个想法称为GO-LoW ，将使用由数千艘小型航天器组成的舰队来研究来自系外行星的无线电波。另一个想法是 FARSIDE，这是 NASA 提议的一个无线电阵列，将放置在月球的背面，不受地球的无线电干扰。如果这些项目中的任何一个取得成果，天文学家可能会解开这些持久的谜团，或者发现更多令人费解的神秘宝藏。
“我们会发现地球有木星大小的磁场，还是木星有地球大小的磁场？”纳普说。 “我不知道，但我真的很想知道。”
原文： https://www.quantamagazine.org/exoplanets-could-help-us-learn-how-planets-make-magnetism-20230807/