Los astrónomos han descrito el primer cinturón de radiación observado fuera de nuestro sistema solar, utilizando un conjunto coordinado de 39 antenas parabólicas de radio desde Hawai hasta Alemania para obtener imágenes de alta resolución. Las imágenes de las persistentes e intensas emisiones de radio de una enana ultrafría revelan la presencia de una nube de electrones de alta energía atrapados en el potente campo magnético del objeto, formando una estructura de doble lóbulo análoga a las imágenes de radio de los cinturones de radiación de Júpiter.
En realidad, estamos obteniendo imágenes de la magnetosfera de nuestro objetivo observando el plasma emisor de radio -su cinturón de radiación- en la magnetosfera. Esto no se había hecho nunca con un planeta gigante gaseoso del tamaño de Júpiter fuera de nuestro sistema solar, explica Melodie Kao, investigadora postdoctoral de la Universidad de California en Santa Cruz y primera autora de un artículo sobre los nuevos hallazgos publicado en Nature.
Los campos magnéticos intensos forman una «burbuja magnética» alrededor de un planeta denominada magnetosfera, que puede atrapar y acelerar partículas hasta casi la velocidad de la luz. Todos los planetas de nuestro sistema solar que tienen este tipo de campos magnéticos, incluida la Tierra, Júpiter y los demás planetas gigantes, tienen cinturones de radiación formados por estas partículas cargadas de alta energía atrapadas por el campo magnético del planeta.
Los cinturones de radiación de la Tierra, conocidos como cinturones de Van Allen, son grandes zonas en forma de rosquilla de partículas de alta energía capturadas de los vientos solares por el campo magnético. La mayoría de las partículas de los cinturones de Júpiter proceden de los volcanes de su luna Io. Si se pudieran poner uno al lado del otro, el cinturón de radiación que Kao y su equipo han fotografiado sería 10 millones de veces más brillante que el de Júpiter.
Las partículas desviadas por el campo magnético hacia los polos generan auroras («auroras boreales») cuando interactúan con la atmósfera, y el equipo de Kao también obtuvo la primera imagen capaz de diferenciar entre la ubicación de la aurora de un objeto y sus cinturones de radiación fuera de nuestro sistema solar.
La enana ultrafría observada en este estudio se encuentra en el límite entre las estrellas de baja masa y las enanas marrones masivas. Aunque la formación de las estrellas y los planetas puede ser diferente, la física en su interior puede ser muy similar en esa parte blanda del continuo de masas que conecta las estrellas de baja masa con las enanas marrones y los planetas gigantes gaseosos, explicó Kao.
La caracterización de la fuerza y la forma de los campos magnéticos de esta clase de objetos es un terreno en gran medida inexplorado. Gracias a su conocimiento teórico de estos sistemas y a los modelos numéricos, los científicos planetarios pueden predecir la fuerza y la forma del campo magnético de un planeta, pero hasta ahora no disponían de una buena forma de comprobar fácilmente esas predicciones.
Las auroras pueden utilizarse para medir la intensidad del campo magnético, pero no su forma. Diseñamos este experimento para mostrar un método que permita evaluar las formas de los campos magnéticos de las enanas marrones y, eventualmente, de los exoplanetas, explica Kao.
La fuerza y la forma del campo magnético pueden ser un factor importante para determinar la habitabilidad de un planeta. Cuando pensamos en la habitabilidad de los exoplanetas, hay que tener en cuenta el papel de sus campos magnéticos en el mantenimiento de un entorno estable, además de aspectos como la atmósfera y el clima, explica Kao.
Para generar un campo magnético, el interior de un planeta debe estar lo suficientemente caliente como para tener fluidos conductores de electricidad, que en el caso de la Tierra es el hierro fundido de su núcleo. En Júpiter, el fluido conductor es hidrógeno sometido a tanta presión que se vuelve metálico. Según Kao, el hidrógeno metálico probablemente también genera campos magnéticos en las enanas marrones, mientras que en el interior de las estrellas el fluido conductor es el hidrógeno ionizado.
La enana ultrafría conocida como LSR J1835+3259 era el único objeto del que Kao estaba segura que proporcionaría los datos de alta calidad necesarios para resolver sus cinturones de radiación.
Ahora que hemos establecido que este tipo concreto de emisión de radio de bajo nivel y en estado estacionario rastrea cinturones de radiación en los campos magnéticos a gran escala de estos objetos, cuando veamos este tipo de emisión en enanas marrones -y, con el tiempo, en exoplanetas gigantes gaseosos- podremos afirmar con más seguridad que probablemente tienen un gran campo magnético, incluso si nuestro telescopio no es lo suficientemente grande como para ver su forma, afirma Kao, quien añade que espera con impaciencia el momento en que el Next Generation Very Large Array, actualmente en fase de planificación por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), pueda obtener imágenes de muchos más cinturones de radiación extrasolares.
Se trata de un primer paso fundamental para encontrar muchos más objetos de este tipo y perfeccionar nuestra capacidad de búsqueda de magnetosferas cada vez más pequeñas, lo que nos permitirá estudiar las de planetas potencialmente habitables del tamaño de la Tierra, afirma Evgenya Shkolnik, coautora del estudio y profesora de la Universidad Estatal de Arizona, que lleva muchos años estudiando los campos magnéticos y la habitabilidad de los planetas.
El equipo utilizó el Conjunto de Alta Sensibilidad (High Sensitivity Array), formado por 39 radiotelescopios coordinados por el NRAO de Estados Unidos y el radiotelescopio Effelsberg, operado por el Instituto Max Planck de Radioastronomía de Alemania.
Combinando radiotelescopios de todo el mundo, podemos obtener imágenes de altísima resolución para ver cosas que nadie había visto antes. Nuestra imagen es comparable a leer la fila superior de una tabla optométrica en California estando de pie en Washington D.C., afirmó la coautora Jackie Villadsen, de la Universidad de Bucknell.
Kao subrayó que este descubrimiento ha sido un verdadero trabajo de equipo, basado en gran medida en la experiencia observacional de la coautora Amy Mioduszewski, del NRAO, a la hora de planificar el estudio y analizar los datos, así como en la experiencia en múltiples longitudes de onda de las llamaradas estelares de Villadsen y Shkolnik. Este trabajo ha sido financiado por la NASA y la Fundación Heising-Simons.
Fuentes
University of California Santa Cruz | Kao, M.M., Mioduszewski, A.J., Villadsen, J. et al. Resolved imaging confirms a radiation belt around an ultracool dwarf. Nature (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-06138-w
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