Astronomen beobachten den ersten Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems

15. Mai 2023

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von der University of California – Santa Cruz

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.

„Wir bilden tatsächlich die Magnetosphäre unseres Ziels ab, indem wir das radioemittierende Plasma – seinen Strahlungsgürtel – in der Magnetosphäre beobachten. Das wurde noch nie zuvor für etwas von der Größe eines Gasriesenplaneten außerhalb unseres Sonnensystems gemacht“, sagte Melodie Kao, Postdoktorand an der UC Santa Cruz und Erstautor eines Artikels über die neuen Erkenntnisse, der am 15. Mai in Nature veröffentlicht wurde.

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 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.

„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-Autorin Evgenya Shkolnik von der Arizona State University Universität, die seit vielen Jahren die Magnetfelder und die Bewohnbarkeit von Planeten untersucht.

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.

Kao betonte, dass diese Entdeckung eine echte Teamleistung sei und sich bei der Planung der Studie und der Datenanalyse stark auf die Beobachtungsexpertise der Co-Erstautorin Amy Mioduszewski vom NRAO sowie auf die Multiwellenlängen-Sterneruptionsexpertise von Villadsen und Shkolnik stützte.

Mehr Informationen: Melodie Kao, Aufgelöste Abbildung eines extrasolaren Strahlungsgürtels um einen ultrakühlen Zwerg, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06138-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06138-w

Zeitschrifteninformationen:Natur

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