Seltsame Winde liefern bislang stärksten Hinweis auf Magnetfelder auf Exoplaneten

Auf der Erde ist das Magnetfeld lebenswichtig, da es verhindert, dass kosmische Strahlung unsere Atmosphäre abträgt. Zugleich lässt es eindrucksvolle Polarlichter entstehen. Magnetfelder gibt es auch auf anderen Planeten unseres Sonnensystems, wie Jupiter und Saturn. Doch wie sieht es auf den Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems, den sogenannten Exoplaneten, aus?

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung von Dr. Elspeth Lee, Bernoulli Fellow am Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern, und Dr. Joost Wardenier von der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie am Physikalischen Institut der Universität Bern ist der Antwort auf diese Frage nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen. Indem die Forschenden die Windgeschwindigkeiten auf mehreren extrem Heissen Jupiter-ähnlichen Exoplaneten ermittelt haben, konnten sie erstmals zeigen, dass je heisser der Planet ist, desto tiefere die Windgeschwindigkeit. Eine Erklärung dafür könnten vorhandene Magnetfelder sein, die die Winde dieser Planeten bremsen. Die Studie wurde soeben in Nature Astronomy veröffentlicht.

Extreme Exoplanetenwinde im Modell

In der Studie untersuchten die Forschenden die Windgeschwindigkeiten auf sieben Exoplaneten, die verschiedene Sterne umkreisen. Dabei handelt es sich um Gasriesen ähnlich wie Jupiter, die ihrem Stern sehr nahe sind. Elspeth Lee erklärt: «Die Rotation der Planeten wurde durch die Gezeitenkräfte des Muttersterns mit ihrem Umlauf synchronisiert. So wie wir immer nur eine Seite des Mondes sehen, weisen diese Planeten stets eine Seite dem Stern zu. So hat sich eine glühend heisse Tagseite und eine dauerhaft dunkle Nachtseite auf den Planeten herausgebildet. Die extremen Temperaturunterschiede wiederum führen dazu, dass extrem starke Winde erzeugt werden.»

Für die Messungen nutzte das Team Daten des ESPRESSO-Instruments am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste sowie eines ähnlichen Instruments am Gemini-North-Teleskop auf Hawaii, USA, das teilweise von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanziert und vom NSF NOIRLab betrieben wird. Elspeth Lee und Joost Wardenier trugen zur theoretischen Interpretation der Beobachtungsdaten bei und brachten ihr Wissen sowie ihre Erfahrung mit der Atmosphäre von «heissen Jupitern» ein. «Wir sind spezialisiert darauf, die Atmosphäre heisser Jupiter-Planeten mit Computermodellen zu simulieren. Dabei untersuchen wir, wie sich ihre Winde verhalten, wie sich die chemische Zusammensetzung verändert und wie sich das Klima auf dem ganzen Planeten entwickelt», erklärt Elspeth Lee.

Rasende Winde auf Exoplaneten

Das Forschungsteam konnte zeigen, dass auf den Exoplaneten Windgeschwindigkeiten von etwa 7’200 km/h bis über 25’000 km/h herrschen. Zum Vergleich: Die schnellsten auf dem Jupiter gemessenen Winde erreichen Geschwindigkeiten von etwa 1’500 km/h.

«Anfangs wollten wir herausfinden, ob sich die atmosphärischen Winde bei allen heissen Planeten gleich verhalten», erklärt Julia Seidel, Astronomin am Laboratoire Lagrange, Observatoire de la Côte d’Azur, Frankreich, und Hauptautorin der Studie. Als die Forschenden jedoch die Abhängigkeit der Windgeschwindigkeiten von der Planetentemperatur untersuchten, zeigte sich ein sehr faszinierendes Muster: Je heisser der Planet, desto langsamer der Wind. «Das widerspricht völlig der Intuition, denn unter sonst gleichen Bedingungen verfügen heisse Planeten über mehr Energie, um die Winde zu beschleunigen! Etwas muss den Wind bei heisseren Objekten bremsen», sagt Vivien Parmentier, Mitautor der Studie und Professor am Laboratoire Lagrange.

Noch spektakulärere Polarlichter als auf der Erde?

Das Team kam zum Schluss, dass die plausibelste Erklärung das Vorhandensein planetarischer Magnetfelder ist, da sie wie eine Bremse wirken und die Bewegung geladener Teilchen in der Atmosphäre verlangsamen können. Anhand der Daten konnten die Forschenden daher die Stärke des Magnetfelds auf jedem der untersuchten Planeten ableiten. Sie stellten fest, dass diese in ihrer Stärke mit denen in unserem Sonnensystem vergleichbar sind: etwa viermal so stark wie das von Saturn oder etwa halb so stark wie das von Jupiter. «Zum ersten Mal haben wir eine einheitliche Analyse der Windgeschwindigkeiten und Magnetfeldstärken von sieben heissen Jupitern durchgeführt, basierend auf den sehr subtilen Doppler-Verschiebungen, die in ihren Spektren beobachtet wurden. Die in unserer Arbeit verwendeten Daten geben einen beeindruckend detaillierten Einblick in diese Verschiebungen», erklärt Joost Wardenier.

Solch starke Magnetfelder könnten mehr als nur den Wind auf diesen fernen Planeten beeinflussen. «Hier auf der Erde kennen wir die Schönheit der Polarlichter, bei denen Teilchen der Sonne auf unser Magnetfeld treffen und zu den Polen geleitet werden. Dort kollidieren sie mit Gasen in der Atmosphäre und erzeugen farbenprächtige Schauspiele in Grün, Rosa und Violett», erklärt Bibiana Prinoth, Mitautorin der Studie, ehemalige Doktorandin an der Universität Lund in Schweden und heute Astronomin bei der ESO in Garching, Deutschland. «Auf den untersuchten Exoplaneten könnten die magnetisch angetriebenen Polarlichter noch spektakulärer sein», so Prinoth.

«Dieser Fortschritt eröffnet völlig neue Perspektiven für die Exoplanetenforschung. Zum ersten Mal können wir die Magnetfelder anderer Welten miteinander vergleichen – ein entscheidender Schritt, um letztendlich zu verstehen, welche Planeten lebensfähig bleiben, ihr Wasser behalten und vielleicht sogar eines Tages Leben, wie wir es kennen, beherbergen können», sagt Julia Seidel. «Insgesamt ist dies ein grosser Schritt zum Verständnis anderer Welten ausserhalb des Sonnensystems und ein gutes Omen für das Extremely Large Telescope ELT der ESO, das 2029 in Betrieb genommen wird, und das noch präzisere Beobachtungen ermöglichen wird», so Elspeth Lee abschliessend.