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Exoplaneten-Magnetfeld erstmals geschätzt

02.12.2014

In den zwei Jahrzehnten seit der Entdeckung des ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems haben Astronomen mehr als 350 Exoplaneten gefunden und einen großen Schritt in ihrer Erforschung gemacht. Vor zwanzig Jahren war das große Ereignis einfach die Entdeckung eines neuen Exoplaneten, und jetzt untersuchen Astrophysiker die Struktur und chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphäre, ihres Klimas und anderer Eigenschaften. Und in einigen Fällen können ihre Monde sogar beobachtet werden.

Eine der wichtigsten Eigenschaften der Planeten ist ihr Magnetfeld. Es beeinflusst das Verhalten der Atmosphäre des Planeten, da es ihn vor den zerstörerischen Auswirkungen des Sternwinds schützt und mit seinem ionisierten Teil - der Ionosphäre und Magnetosphäre - interagiert. Darüber hinaus kann es die Entwicklung des Planeten selbst beeinflussen.

Direkte Beobachtungen des Magnetfeldes von Exoplaneten sind derzeit nicht möglich. Auch Versuche, ihre Radiostrahlung zu detektieren, was auch eine Abschätzung des Magnetfelds ermöglichen würde, blieben bislang erfolglos. Bei der Untersuchung des Planeten HD 209458b mit dem informellen Namen Osiris wurde jedoch außerhalb seiner Magnetosphäre eine Wolke aus heißem atomarem Wasserstoff entdeckt, die unter dem Einfluss eines Sterns aus der Atmosphäre des Planeten „verdampft“.

Die Größe und Form der Wasserstoffhülle wird durch die Wechselwirkung zwischen dem Gasausfluss des Planeten und dem einströmenden Sternwind von Protonen bestimmt, die diese Wolke sozusagen abblasen. Wenn man die Parameter der Wasserstoffwolke kennt, kann man unter Verwendung eines bestimmten Modells die Parameter der Magnetosphäre und folglich die Parameter des Magnetfelds abschätzen.

Die Methode einer solchen Bewertung wurde von einem internationalen Team von Wissenschaftlern vorgeschlagen, dem russische Physiker angehören, die derzeit das Weltraumforschungsinstitut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Kristina Kislyakova (ehemals Mitarbeiterin der nach N. I. Lobachevsky benannten staatlichen Universität Nischni Nowgorod) vertreten. und Maxim Khodachenko (ebenfalls ein nach D. V. Skobeltsyn benannter Mitarbeiter des SINP, Staatliche Universität Moskau). Mit seiner Hilfe konnten sie die Größe des magnetischen Moments des Planeten HD 209458b abschätzen. Die Forschungsergebnisse werden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Wissenschaftler simulierten die Bildung einer Wolke aus heißem Wasserstoff um den Planeten und zeigten, dass die beobachtete Konfiguration der Wolke nur einem bestimmten Wert der Parameter des magnetischen Moments und des Sternwinds entspricht.
Um das Modell genauer zu machen, berücksichtigten Astrophysiker eine Vielzahl von Faktoren, die die Wechselwirkung zwischen dem Sternwind und der Atmosphäre des Planeten bestimmen: die sogenannte Wiederaufladung zwischen dem Sternwind und neutralen atmosphärischen Teilchen und deren Ionisierung, Gravitationseffekte, Druck , Strahlungsbeschleunigung, Spektrallinienverbreiterung.

Der Planet HD 209458b, der 1999 150 Lichtjahre von der Erde entfernt entdeckt wurde, gehört zu einigen der am besten untersuchten und am intensivsten untersuchten Exoplaneten, da er eines der wenigen bekannten Objekte ist, die gesehen werden können, wenn sie die Scheibe des Sterns passieren. Gleichzeitig kommt das Licht eines Sterns auf die Erde, nachdem es die Atmosphäre des Planeten passiert hat, was es ermöglicht, seine Struktur und chemische Zusammensetzung mit spektralen Methoden zu untersuchen. Für Beobachtungen verwendeten Wissenschaftler das Hubble-Weltraumteleskop.

Simulationen haben gezeigt, dass die Magnetosphäre des Planeten relativ klein ist, etwa 2,9 Planetenradien, was einem magnetischen Moment von nur 10 % des Jupiters entspricht. Dies steht im Einklang mit vorläufigen Schätzungen der Wirksamkeit des planetaren Dynamos für diesen Planeten.

Ein so kleines Magnetfeld ist darauf zurückzuführen, dass der Exoplanet HD 209458b ein typischer heißer Jupiter ist, dh ein Gasriese mit einer Masse in der Größenordnung von Jupiter, der sich jedoch viel näher am Stern befindet. Somit befindet sich der betrachtete Exoplanet in einer Entfernung von weniger als 5 Millionen km von dem Stern, der 100-mal näher als Jupiter im Sonnensystem und sogar 10-mal näher als der sonnennächste Planet Merkur ist. Seine Umlaufzeit beträgt nur 3,5 Tage, seine Masse 0,7 Jupitermassen und sein Radius 1,4 Jupitermassen.

Da die Umlaufbahn eines solchen Planeten sehr nahe am Stern liegt, erfährt er eine starke Gravitationsanziehung, die die Rotation des Planeten verlangsamt. Da gemäß der Planetendynamo-Theorie die Erzeugung eines Magnetfeldes mit der Rotation der Planetenkerne verbunden ist, führt die langsame Rotation der Planeten zu schwachen Magnetfeldern.

Wissenschaftler glauben, dass die von ihnen vorgeschlagene Methode zur Schätzung des Magnetfelds für alle Planeten, einschließlich erdähnlicher, verwendet werden kann, wenn sie von einer energiereichen Wasserstoffhülle umgeben sind. Es ist erwähnenswert, dass etwa 15 % der Exoplaneten heiße Jupiter sind.

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