Chłodne gwiazdy z silnymi wiatrami zagrażają atmosferom egzoplanet
Dzięki najnowszym symulacjom numerycznym udało się uzyskać pierwszą kompleksową charakterystykę właściwości wiatrów gwiazdowych w próbce chłodnych gwiazd. Badania wykazały, że gwiazdy o silniejszych polach magnetycznych generują silniejsze wiatry. Te wiatry tworzą niekorzystne warunki dla przetrwania atmosfer planetarnych, co ma wpływ na potencjalną zdatność do zamieszkania tych układów.
Wizja artystyczna układu gwiazda-planeta. Widoczny jest wiatr gwiazdowy wokół gwiazdy i jego wpływ na atmosferę. Źródło: AIP/ K. Riebe/ J. Fohlmeister
Słońce jest jedną z najpospolitszych gwiazd we Wszechświecie, znaną jako „gwiazda chłodna”. Gwiazdy te są podzielone na cztery typy widmowe: F, G, K i M, różniące się rozmiarem, temperaturą i jasnością. Słońce jest średniej wielkości gwiazdą i klasyfikowane jest jako typ widmowy G. Gwiazdy typu F są jaśniejsze i większe od Słońca, podczas gdy gwiazdy typu K są nieco mniejsze i chłodniejsze. Najmniejsze i najbardziej słabe gwiazdy to gwiazdy typu M, znane również jako „czerwone karły” ze względu na barwę, w jakiej emitują większość swojego światła.
Dzięki obserwacjom satelitarnym odkryto, że oprócz emisji światła, Słońce wydziela stały strumień cząstek, znany jako wiatr słoneczny. Wiatr ten porusza się przez przestrzeń międzyplanetarną i oddziałuje z planetami Układu Słonecznego, w tym z Ziemią. Piękne zorze polarne w pobliżu biegunów północnego i południowego są właśnie efektem tej interakcji. Jednak wiatry te mogą również mieć negatywny wpływ, ponieważ mogą zakłócać stabilną atmosferę planety, podobnie jak miało to miejsce na Marsie. Chociaż wiele wiemy na temat wiatru słonecznego – częściowo dzięki misjom takim jak Solar Orbiter – niewiele informacji posiadamy na temat wiatrów innych chłodnych gwiazd. Problemem jest to, że nie jesteśmy w stanie bezpośrednio obserwować tych wiatrów gwiazdowych, co ogranicza nasze badania do analizy ich wpływu na rzadki gaz wypełniający przestrzeń międzygwiazdową w Galaktyce. To podejście ma jednak swoje ograniczenia i można je zastosować tylko do kilku gwiazd. Dlatego też motywuje nas to do korzystania z symulacji komputerowych i modeli, aby przewidywać różne właściwości wiatrów gwiazdowych bez konieczności bezpośrednich obserwacji przez astronomów.
W tym kontekście doktorantka Judy Chebly, naukowiec dr Julián D. Alvarado-Gómez oraz profesor Katja Poppenhäger z sekcji fizyki gwiazd i egzoplanet w AIP (Instytut Fizyki Gwiazd i Egzoplanet), we współpracy z Cecilią Garraffo z Centrum Astrofizyki na Harvardzie i Smithsonian, przeprowadzili pierwsze systematyczne badanie właściwości wiatru gwiazdowego dla gwiazd typu F, G, K i M. Do tego celu wykorzystali zaawansowane symulacje numeryczne, które oparte były na obserwowanym rozkładzie pola magnetycznego w skali makro dla 21 dobrze zbadanych gwiazd. Symulacje te zostały przeprowadzone przy użyciu superkomputerów AIP i Leibniz Rechenzentrum (LRZ), które są jednymi z najnowocześniejszych dostępnych obecnie modeli.
Zespół badał, w jaki sposób właściwości gwiazd, takie jak grawitacja, natężenie pola magnetycznego i okres rotacji, wpływają na charakterystykę wiatru pod względem prędkości lub gęstości. Wyniki obejmują kompleksową charakterystykę właściwości wiatru gwiazdowego w różnych typach widmowych, co między innymi wskazuje na potrzebę zrewidowania wcześniejszych założeń dotyczących prędkości wiatru gwiezdnego przy szacowaniu powiązanych wskaźników utraty masy na podstawie obserwacji. Ponadto symulacje pozwalają przewidzieć oczekiwany rozmiar powierzchni Alfvéna – granicy między koroną gwiazdy a jej wiatrem gwiazdowym. Informacje te mają fundamentalne znaczenie dla określenia, czy układ planetarny może podlegać silnym oddziaływaniom magnetycznym gwiazda-planeta, które mogą wystąpić, gdy orbita planety wchodzi lub jest całkowicie osadzona w powierzchni Alfvéna gwiazdy macierzystej.
Badania naukowe przynoszą odkrycia, które wskazują na to, że gwiazdy o polach magnetycznych większych niż pole magnetyczne Słońca posiadają szybsze wiatry. W niektórych przypadkach prędkość wiatru gwiazdowego może być nawet pięciokrotnie większa niż średnia prędkość wiatru słonecznego, która przeważnie wynosi 450 km/s.
Podczas tych badań naukowcy mieli możliwość ocenić siłę wiatrów w tzw. ekosferach tych gwiazd. Ekosfera to odległość orbitalna, w której skaliste egzoplanety mogłyby utrzymać na swojej powierzchni wodę w stanie ciekłym przy podobnym ciśnieniu atmosferycznym jak na Ziemi. Wyniki badań wskazują, że warunki wiatrowe wokół gwiazd typu F i G są łagodniejsze, porównywalne do tych, które Ziemia doświadcza od Słońca (typ gwiazdowy G). Natomiast w przypadku gwiazd typu K i M, obserwuje się coraz ostrzejsze warunki wiatrowe. Tak intensywne wiatry gwiazdowe mają silny wpływ na potencjalną atmosferę planety.
Zjawisko to jest dobrze udokumentowane w fizyce słonecznej między planetami skalistymi a Słońcem, jednakże w przypadku układów egzoplanetarnych brakuje takiej dokumentacji. Konieczne jest oszacowanie wiatru gwiazdowego w celu oceny podobnych procesów, jakie zaobserwowano między wiatrem słonecznym a atmosferami planet. Informacje na temat wiatru gwiazdowego były wcześniej niedostępne dla gwiazd ciągu głównego od F do M, co czyni to badanie ważnym w kontekście zdatności do zamieszkania. Przedstawiona w artykule praca została wykonana dla 21 gwiazd, jednakże jej wyniki są na tyle ogólne, że można je zastosować do innych chłodnych gwiazd ciągu głównego. Badanie to otwiera drogę do przyszłych badań nad obserwacjami wiatru gwiazdowego oraz jego wpływu na erozję atmosfer planetarnych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
