Astronomen entdecken ersten Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems

Von der University of California – Santa Cruz, 30. Mai 2023

Künstlerische Darstellung eines Polarlichts und des umgebenden Strahlungsgürtels des ultrakühlen Zwergs LSR J1835+3259. Bildnachweis: Chuck Carter, Melodie Kao, Heising-Simons Foundation

High-resolution imaging of radio emissions from an ultracool dwarf shows a double-lobed structure like the radiation belts of JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jupiter.

Ein Team von Astronomen hat mithilfe einer Reihe von 39 Radioschüsseln erfolgreich den ersten Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems beobachtet. Der Strahlungsgürtel um einen ultrakühlen Zwerg herum ähnelt dem des Jupiter, ist jedoch 10 Millionen Mal heller. Dieser Durchbruch bei der Untersuchung der Magnetfelder von Himmelskörpern könnte zum Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten beitragen.

Astronomen haben den ersten Strahlungsgürtel beschrieben, der außerhalb unseres Sonnensystems beobachtet wurde, indem sie eine koordinierte Anordnung von 39 Radioschüsseln von Hawaii bis Deutschland nutzten, um hochauflösende Bilder zu erhalten. Die Bilder anhaltender, intensiver Radioemissionen eines ultrakühlen Zwergs zeigen das Vorhandensein einer Wolke hochenergetischer Elektronen, die im starken Magnetfeld des Objekts gefangen sind und eine doppellappige Struktur bilden, analog zu Radiobildern von Jupiters Strahlungsgürteln.

"We are actually imaging the magnetosphere of our target by observing the radio-emitting plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Plasma – sein Strahlungsgürtel – in der Magnetosphäre. „Das wurde noch nie zuvor für etwas von der Größe eines Gasriesenplaneten außerhalb unseres Sonnensystems durchgeführt“, sagte Melodie Kao, Postdoktorandin an der University of California in Santa Cruz und Erstautorin eines im Mai veröffentlichten Artikels über die neuen Erkenntnisse 15 in der Natur.

Starke Magnetfelder bilden eine „Magnetblase“ um einen Planeten, die sogenannte Magnetosphäre, die Teilchen einfangen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Alle Planeten in unserem Sonnensystem, die über solche Magnetfelder verfügen, einschließlich der Erde, aber auch Jupiter und die anderen Riesenplaneten, verfügen über Strahlungsgürtel, die aus diesen hochenergetischen geladenen Teilchen bestehen, die vom Magnetfeld des Planeten eingefangen werden.

Die ersten Bilder eines extrasolaren Strahlungsgürtels wurden durch die Kombination von 39 Radioteleskopen zu einem virtuellen Teleskop gewonnen, das den Globus von Hawaii bis Deutschland umspannt. Bildnachweis: Melodie Kao, Amy Mioduszewski

Die Strahlungsgürtel der Erde, bekannt als Van-Allen-Gürtel, sind große donutförmige Zonen hochenergetischer Teilchen, die vom Magnetfeld der Sonnenwinde eingefangen werden. Die meisten Partikel in Jupiters Gürteln stammen von Vulkanen auf seinem Mond Io. Wenn man sie nebeneinander platzieren könnte, wäre der Strahlungsgürtel, den Kao und ihr Team abgebildet haben, zehn Millionen Mal heller als der des Jupiter.

Durch das Magnetfeld in Richtung der Pole abgelenkte Teilchen erzeugen Polarlichter („Nordlichter“), wenn sie mit der Atmosphäre interagieren, und Kaos Team erhielt außerdem das erste Bild, das in der Lage ist, zwischen der Position der Polarlichter eines Objekts und seinen Strahlungsgürteln außerhalb unseres Sonnensystems zu unterscheiden .

Der in dieser Studie abgebildete ultrakühle Zwerg liegt an der Grenze zwischen massearmen Sternen und massereichen Braunen Zwergen. „Während die Entstehung von Sternen und Planeten unterschiedlich sein kann, kann die Physik in ihnen in diesem matschigen Teil des Massenkontinuums, der massearme Sterne mit Braunen Zwergen und Gasriesenplaneten verbindet, sehr ähnlich sein“, erklärte Kao.

Die Charakterisierung der Stärke und Form der Magnetfelder dieser Objektklasse sei weitgehend Neuland, sagte sie. Mit ihrem theoretischen Verständnis dieser Systeme und numerischen Modellen können Planetenforscher die Stärke und Form des Magnetfelds eines Planeten vorhersagen, aber sie hatten keine gute Möglichkeit, diese Vorhersagen einfach zu testen.

Der Elektronenstrahlungsgürtel und die Polarlichter eines ultrakühlen Zwergs wurden durch die Kombination von 39 Radioteleskopen abgebildet, um ein virtuelles Teleskop zu bilden, das den Globus von Hawaii bis Deutschland umspannt. Bildnachweis: Melodie Kao, Amy Mioduszewski

„Auroren können verwendet werden, um die Stärke des Magnetfelds zu messen, aber nicht die Form. Wir haben dieses Experiment entworfen, um eine Methode zur Beurteilung der Formen von Magnetfeldern auf Braunen Zwergen und schließlich Exoplaneten vorzustellen“, sagte Kao.

Die Stärke und Form des Magnetfelds kann ein wichtiger Faktor für die Bewohnbarkeit eines Planeten sein. „Wenn wir über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten nachdenken, ist neben Dingen wie Atmosphäre und Klima auch die Rolle ihrer Magnetfelder bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Umgebung zu berücksichtigen“, sagte Kao.

Um ein Magnetfeld zu erzeugen, muss das Innere eines Planeten heiß genug sein, um elektrisch leitende Flüssigkeiten zu enthalten, bei denen es sich im Fall der Erde um geschmolzenes Eisen in ihrem Kern handelt. Im Jupiter ist die leitende Flüssigkeit Wasserstoff, der unter so hohem Druck steht, dass er metallisch wird. Metallischer Wasserstoff erzeugt wahrscheinlich auch Magnetfelder in Braunen Zwergen, sagte Kao, während im Inneren von Sternen die leitende Flüssigkeit ionisierter Wasserstoff ist.

Der ultrakühle Zwerg namens LSR J1835+3259 war das einzige Objekt, von dem Kao überzeugt war, dass es die hochwertigen Daten liefern würde, die zur Auflösung seiner Strahlungsgürtel erforderlich sind.

„Nachdem wir festgestellt haben, dass diese besondere Art von stationärer Radioemission auf niedrigem Niveau Strahlungsgürtel in den großräumigen Magnetfeldern dieser Objekte nachzeichnet, sehen wir diese Art von Emission bei Braunen Zwergen – und schließlich bei Gas.“ „Riesige Exoplaneten – wir können mit größerer Sicherheit sagen, dass sie wahrscheinlich ein großes Magnetfeld haben, auch wenn unser Teleskop nicht groß genug ist, um die Form davon zu erkennen“, sagte Kao und fügte hinzu, dass sie sich auf das Next Generation Very Large Array freue , das derzeit vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) geplant wird, kann viele weitere extrasolare Strahlungsgürtel abbilden.

„Dies ist ein entscheidender erster Schritt, um viele weitere solcher Objekte zu finden und unsere Fähigkeiten bei der Suche nach immer kleineren Magnetosphären zu verbessern, was es uns schließlich ermöglicht, die von potenziell bewohnbaren Planeten in Erdgröße zu untersuchen“, sagte Co-Autor Evgenya Shkolnik von der Arizona State University. der sich seit vielen Jahren mit den Magnetfeldern und der Bewohnbarkeit von Planeten beschäftigt.

Das Team nutzte das High Sensitivity Array, bestehend aus 39 Radioschüsseln, koordiniert vom NRAO in den Vereinigten Staaten und dem Effelsberg-Radioteleskop, das vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland betrieben wird.

„Durch die Kombination von Radioschüsseln aus der ganzen Welt können wir unglaublich hochauflösende Bilder erstellen, um Dinge zu sehen, die noch nie jemand zuvor gesehen hat. Unser Bild ist vergleichbar mit dem Ablesen der obersten Reihe einer Sehtafel in Kalifornien, während man in Washington, D.C. steht. ", sagte Co-Autorin Jackie Villadsen von der Bucknell University.

Weitere Informationen zu dieser Entdeckung finden Sie unter Astronomen finden ersten Strahlungsgürtel jenseits unseres Sonnensystems.

Referenz: „Aufgelöste Bildgebung bestätigt einen Strahlungsgürtel um einen ultrakühlen Zwerg“ von Melodie M. Kao, Amy J. Mioduszewski, Jackie Villadsen und Evgenya L. Shkolnik, 15. Mai 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06138-w

Kao emphasized that this discovery was a true team effort, relying heavily on the observational expertise of co-first author Amy Mioduszewski at NRAO in planning the study and analyzing the data, as well as the multiwavelength stellar flare expertise of Villadsen and Shkolnik. This work was supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA und die Heising-Simons Foundation.