Mit dem James Webb Space Teleskop haben Forschende erstmals eine 3D-Karte der oberen Atmosphäre von Uranus erstellt. Sie entdeckten zwei helle Polarlichtbänder, ein Temperaturmaximum in 3000 bis 4000 km Höhe und bestätigten eine anhaltende Abkühlung auf etwa 426 K. Die Ergebnisse helfen, die Energiebilanz von Eisriesen besser zu verstehen – auch im Hinblick auf Exoplaneten.
Ein neuer Blick auf Uranus
Uranus galt lange als der stille Außenseiter im Sonnensystem. Kaum Wolkenstrukturen, wenig Dynamik, große Distanz zur Sonne. Doch dieser Eindruck täuscht. Hoch über den sichtbaren Wolken spielt sich ein komplexes Zusammenspiel aus Magnetfeld, geladenen Teilchen und Atmosphäre ab.
Ein internationales Team um die Doktorandin Paola Tiranti von der Northumbria University hat nun erstmals eine dreidimensionale Karte der oberen Atmosphäre erstellt. Grundlage sind Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope. Das Teleskop verfolgte den Planeten fast über eine komplette Rotation hinweg – rund 15 Stunden.
Möglich wurde das durch die Integral Field Unit des NIRSpec-Instruments. Sie liefert nicht nur ein Spektrum, sondern gleich ein ganzes Spektrenfeld. So lassen sich Temperatur und Dichte geladener Teilchen in unterschiedlichen Höhen gleichzeitig erfassen. Genau das brauchte es für den 3D-Blick.
Polarlichter, aber anders als gedacht
Auroren entstehen, wenn energiereiche Teilchen entlang von Magnetfeldlinien in die obere Atmosphäre stürzen. Dort regen sie Moleküle an, die anschließend Licht aussenden. Auf der Erde kennt man das als Nord- oder Südlicht.
Auf Uranus läuft das deutlich komplizierter ab. Sein Magnetfeld ist um fast 60° gegen die Rotationsachse gekippt und zusätzlich vom Zentrum des Planeten verschoben. Die Magnetosphäre eiert gewissermaßen durch den Raum. Entsprechend wandern auch die Polarlichter.
Die JWST-Daten zeigen zwei helle Aurorabänder nahe der magnetischen Pole. Dazwischen fällt die Emission deutlich ab. Ähnliche Strukturen kennt man vom Jupiter, wo die Geometrie des Magnetfelds steuert, wo Teilchen bevorzugt in die Atmosphäre eintreten.
Paola Tiranti bringt es so auf den Punkt: „Dies ist das erste Mal, dass wir die obere Atmosphäre des Uranus in drei Dimensionen sehen können. Mit der Empfindlichkeit von Webb können wir verfolgen, wie sich Energie durch die Atmosphäre des Planeten nach oben bewegt, und sogar den Einfluss seines schrägen Magnetfeldes sehen.“
5000 km über den Wolken
Die Messungen reichen bis in etwa 5000 km Höhe. Besonders spannend ist die vertikale Struktur. Die höchsten Temperaturen finden sich zwischen 3000 und 4000 km über den Wolken. Die größte Ionendichte dagegen liegt tiefer, bei rund 1000 km.
Im Mittel bestimmte das Team eine Temperatur von etwa 426 K, also rund 150 °C. Das klingt heiß. Für eine planetare Hochatmosphäre ist es jedoch vergleichsweise moderat – und vor allem niedriger als frühere Messungen nahelegten. Schon seit den 1990er-Jahren deutet sich eine Abkühlung an. Die neuen Daten bestätigen diesen Trend.
Warum das so ist, bleibt offen. Uranus erhält wenig Energie von der Sonne. Gleichzeitig scheint er im Inneren weniger Wärme nach außen zu transportieren als etwa Jupiter oder Saturn. Die Energiebilanz des Eisriesen gibt weiterhin Rätsel auf.
Tiranti sagt: „Durch die detaillierte Darstellung der vertikalen Struktur von Uranus hilft uns Webb, die Energiebilanz der Eisriesen zu verstehen. Dies ist ein entscheidender Schritt zur Charakterisierung von Riesenplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.“
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