Dieses Rätsel verblüfft: Je heißer der Planet, desto langsamer der Wind
Warum werden die Winde auf den heißesten Exoplaneten langsamer? Die Antwort könnte in ihren Magnetfeldern liegen.
Diese künstlerische Darstellung zeigt die magnetische Aktivität rund um einen „heißen Jupiter“-Exoplaneten. Bei „heißen Jupitern“ ist eine Seite stets ihrem Mutterstern zugewandt und glühend heiß, während die andere Seite extrem kalt ist. Dieser starke Temperaturunterschied erzeugt starke Winde, die von der Tagseite zur Nachtseite wehen. Das Magnetfeld des Planeten, hier durch blaue Linien dargestellt, kann diese Winde abbremsen.
Foto: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick , CC BY 4.0
Magnetfelder gehören zu den wichtigsten Eigenschaften eines Planeten. Auf der Erde schützen sie die Atmosphäre vor energiereichen Teilchen aus dem All und verhindern, dass der Sonnenwind sie nach und nach abträgt. Ohne diesen Schutzschild hätte sich unser Planet vermutlich ganz anders entwickelt.
Doch während sich Magnetfelder von Erde, Jupiter oder Saturn vergleichsweise gut untersuchen lassen, sind sie bei Planeten außerhalb unseres Sonnensystems kaum zugänglich. Nun hat ein internationales Forschungsteam einen neuen Weg gefunden, um die Stärke solcher Felder indirekt abzuschätzen – und zwar über die Winde in den Atmosphären ferner Welten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
Extreme Welten mit extremer Witterung
Im Mittelpunkt der Untersuchung standen sieben sogenannte ultraheiße Jupiter. Dabei handelt es sich um Gasriesen, die ihren Stern in sehr geringem Abstand umkreisen.
Alle untersuchten Planeten sind gezeitengebunden. Ähnlich wie der Mond der Erde zeigen sie ihrem Stern stets dieselbe Seite. Dadurch entstehen gewaltige Temperaturunterschiede: Während die Tagseite auf extreme Temperaturen aufgeheizt wird, bleibt die Nachtseite deutlich kühler.
Diese Unterschiede treiben enorme Luftströmungen an. Die gemessenen Windgeschwindigkeiten lagen zwischen rund 7200 km/h und mehr als 25.000 km/h. Zum Vergleich: Die schnellsten Winde auf Jupiter erreichen etwa 1500 km/h.
Eigentlich wollten die Forschenden etwas anderes messen
Das Forschungsteam hatte ursprünglich nicht nach Magnetfeldern gesucht. Ziel war es, die atmosphärischen Strömungen der Exoplaneten genauer zu untersuchen.
Dafür nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Daten des Spektrografen MAROON-X am Gemini-Nord-Teleskop auf Hawaii sowie des Instruments ESPRESSO am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Beide Systeme können kleinste Veränderungen im Sternenlicht erfassen.
Bestimmte chemische Elemente in den Atmosphären hinterlassen charakteristische Spuren im Spektrum. Anhand ihrer Verschiebung lässt sich berechnen, wie schnell sich die Gase bewegen. „Die unerwartete Entdeckung, die sich aus der Untersuchung der Winde dieser sieben ultraheißen Jupiter ergab, zeigt, dass wir aus den Daten noch viel mehr lernen können“, sagt Mitautor Andreas Seifahrt vom Gemini-Observatorium.
Warum werden die Winde auf heißeren Planeten langsamer?
Bei der Auswertung stießen die Forschenden auf ein überraschendes Muster. Eigentlich sollte mehr Hitze zu stärkeren Luftströmungen führen. Schließlich steht den Atmosphären heißerer Planeten mehr Energie zur Verfügung. Doch die Messungen zeigten das Gegenteil.
„Das ist völlig kontraintuitiv, denn unter sonst gleichen Bedingungen haben heiße Planeten mehr Energie, um die Winde zu beschleunigen“, erklärt Mitautorin Vivien Parmentier vom französischen Laboratoire Lagrange. Je heißer die untersuchten Planeten waren, desto langsamer bewegten sich ihre Winde. Für die Forschenden war klar: Es muss einen Mechanismus geben, der die Luftströmungen abbremst.
Magnetfelder als natürliche Bremse
Die plausibelste Erklärung liefern Magnetfelder. In den extrem heißen Atmosphären ultraheißer Jupiter werden viele Atome ionisiert. Dabei entstehen elektrisch geladene Teilchen. Diese reagieren empfindlich auf Magnetfelder.
Das Magnetfeld beeinflusst ihre Bewegung und erzeugt einen bremsenden Effekt. Dadurch können die atmosphärischen Strömungen langsamer werden als theoretisch erwartet.
Aus der Stärke dieser Bremswirkung konnten die Forschenden Rückschlüsse auf die Magnetfelder der Planeten ziehen. Es handelt sich dabei nicht um eine direkte Messung, sondern um eine indirekte Abschätzung anhand beobachteter Atmosphärenprozesse.
Vergleichbar mit Jupiter und Saturn
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Magnetfelder der untersuchten Exoplaneten durchaus mit denen bekannter Planeten unseres Sonnensystems vergleichbar sind. Einige könnten etwa viermal stärkere Magnetfelder besitzen als Saturn. Andere erreichen ungefähr die Hälfte der Stärke des Jupiter-Magnetfelds.
Für die Exoplanetenforschung eröffnet das neue Möglichkeiten. Magnetfelder beeinflussen nicht nur die Atmosphäre eines Planeten. Sie spielen auch eine wichtige Rolle dabei, wie sich Planeten über Milliarden Jahre entwickeln.
„Zum ersten Mal können wir die magnetischen Umgebungen anderer Welten vergleichen“, sagt Studienleiterin Julia Seidel vom Observatoire de la Côte d’Azur. Dies sei ein wichtiger Schritt, um besser zu verstehen, welche Planeten ihre Atmosphäre und möglicherweise auch Wasser langfristig bewahren können.
Gibt es dort Polarlichter?
Starke Magnetfelder könnten noch weitere Folgen haben. Auf der Erde entstehen Polarlichter, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds entlang der Magnetfeldlinien in die Atmosphäre gelenkt werden. Dort bringen sie Gase zum Leuchten. Ähnliche Prozesse könnten auch auf den untersuchten Exoplaneten stattfinden.
„Hier auf der Erde kennen wir die Schönheit der Nord- und Südlichter“, erklärt Mitautorin Bibiana Prinoth von der Europäischen Südsternwarte. Auf den ultraheißen Jupitern könnten solche Erscheinungen sogar deutlich intensiver ausfallen. Ob sich diese Leuchterscheinungen künftig direkt beobachten lassen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
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