天文學家首次在褐矮星周圍發現太陽系外輻射帶

天文學家首次在太陽系外發現了一個輻射帶，圍繞著一顆名為LSR J1835+3259的褐矮星。該輻射帶的強度是木星的1000萬倍，代表了探索潛在的可居住的地球大小的行星的關鍵一步。這一發現是通過一個由39個無線電天線組成的全球網絡實現的。

輻射帶最初是1958年由探索者1號和3號衛星在地球周圍首次發現的，現在已知是太陽系的一個共同特征： 所有具有大規模磁場的行星--包括地球、木星、土星、天王星和海王星--都有。然而，直到現在，在我們的太陽系之外還沒有清楚地看到輻射帶。

由原亞利桑那州立大學、現加州大學圣克魯茲分校51 Pegasi b研究員Melodie Kao領導的一個小型天文學家小組，包括亞利桑那州立大學地球和空間探索學院的Evgenya Shkolnik教授已經發現了我們太陽系外的第一個輻射帶。該結果于5月15日發表在《自然》雜志上。

這一發現是在"褐矮星"LSR J1835+3259周圍發現的，它的大小與木星差不多，但密度更大。它位于只有20光年遠的天琴座，還沒有重到足以成為一顆恒星，但它太重了，也不可能成為一顆行星。因為輻射帶以前從未在我們的太陽系外清晰可見，所以不知道它們是否會存在于行星以外的物體周圍。

Shkolnik說："這是關鍵的第一步，我們可以找到更多這樣的天體，并磨練我們搜索越來越小的磁層的技能，最終使我們能夠研究那些潛在的、地球大小的可居住的行星。"

太陽系外輻射帶的首批圖像是通過將39臺射電望遠鏡結合起來，形成一個從夏威夷到德國的虛擬望遠鏡而獲得的。資料來源：Melodie Kao, Amy Mioduszewski

雖然人眼看不見，但這個團隊發現的輻射帶是一個巨大的結構。它的外徑至少跨越18個木星直徑，而最明亮的內部區域相隔9個木星直徑。這個新發現的太陽系外輻射帶由接近光速的粒子組成，在無線電波段的亮度最高，它比木星的輻射帶幾乎強烈1000萬倍，而木星的輻射帶本身比地球的輻射帶要亮幾百萬倍，并且展示了太陽系行星中能量最高的粒子。

該小組在一年的時間里，使用現在因對我們銀河系的黑洞進行成像而聞名的觀測技術，拍攝了三張被困在LSR J1835+3259的磁層中的無線電發射電子的高分辨率照片。

通過協調從夏威夷到德國的39個無線電天線，組成一個地球大小的望遠鏡，研究小組解決了褐矮星的動態磁環境，即所謂的"磁層"，這是第一次在太陽系之外觀察到。他們甚至可以清楚地看到這個磁場的形狀，足以推斷它很可能是一個像地球和木星那樣的偶極子磁場。

"通過結合來自世界各地的無線電天線，我們可以做出令人難以置信的高分辨率圖像，看到沒有人見過的東西。我們的圖像相當于站在華盛頓特區時，在加利福尼亞閱讀視力評估圖的最上面一排，"共同作者巴克內爾大學的Jackie Villadsen教授說。

然而，Kao和她的團隊很早就有線索，他們在這個褐矮星周圍發現一個輻射帶。當團隊在2021年進行這些觀測時，射電天文學家已經觀察到LSR J1835+3259發出了兩種可探測的射電輻射。Kao本人也參加了一個團隊，該團隊在六年前確認其周期性閃爍的無線電發射，方式類似于燈塔。

但是LSR J1835+3259也有更穩定和更微弱的無線電發射。數據顯示，這些較暗的發射不可能來自恒星耀斑，事實上，它們與木星的輻射帶非常相似。

研究小組的發現表明，這種現象可能比最初想象的更為普遍--不僅發生在行星上，也發生在褐矮星、低質量的恒星上，甚至可能是質量非常高的恒星上。

一個行星的磁場周圍的區域--磁層--包括地球的磁層可以保護行星的大氣層和表面免受太陽和宇宙高能粒子的破壞。

"當我們考慮系外行星的可居住性時，它們的磁場在維持穩定環境方面的作用是除了像大氣和氣候這樣的東西之外需要考慮的因素，"Kao說。

除了看到的輻射帶，他們的研究還揭示了極光（類似于地球上的北極光）與來自太陽系外的物體的輻射帶在"形狀"和空間位置上的差異。

"極光可以用來測量磁場的強度，但不能測量形狀。我們設計這個實驗是為了展示一種評估褐矮星和最終的系外行星上磁場形狀的方法，"Kao說。"一個比喻是，輻射帶就像生活在我們太陽系這個鄰居中的行星的'院子'，只不過我們有的不是花，而是以不同波長和亮度發光的高能粒子。每個輻射帶的特殊屬性告訴我們關于該行星的能量、磁力和粒子資源的一些情況：它的旋轉速度有多快，它的磁場有多強，它離太陽有多近，它是否有能提供更多粒子的衛星或像土星那樣能吸收粒子的環，等等。第一次，我們能夠看到褐矮星和低質量恒星有什么樣的'碼'。我為有一天我們能夠了解系外行星所居住的磁層碼子而感到興奮。"