Webb beobachtet Polarlichter auf dem Neptun

Zum ers­ten Mal hat das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA hel­le Polar­licht­ak­ti­vi­tä­ten auf Nep­tun ein­ge­fan­gen. Polar­lich­ter ent­ste­hen, wenn ener­gie­rei­che Teil­chen, die oft von der Son­ne stam­men, im Magnet­feld eines Pla­ne­ten gefan­gen wer­den und schließ­lich auf die obe­re Atmo­sphä­re tref­fen. Die bei die­sen Kol­li­sio­nen frei­ge­setz­te Ener­gie erzeugt das cha­rak­te­ris­ti­sche Leuchten.

In der Ver­gan­gen­heit haben Astro­no­men span­nen­de Hin­wei­se auf Polar­licht­ak­ti­vi­tät auf Nep­tun beob­ach­tet. Die Abbil­dung und Bestä­ti­gung der Polar­lich­ter auf Nep­tun ist den Astro­no­men jedoch lan­ge Zeit nicht gelun­gen, obwohl sie auf Jupi­ter, Saturn und Ura­nus erfolg­reich nach­ge­wie­sen wur­den. Nep­tun war das feh­len­de Puz­zle­teil, als es dar­um ging, Polar­lich­ter auf den Rie­sen­pla­ne­ten unse­res Son­nen­sys­tems zu ent­de­cken. Die­ses Phä­no­men konn­te nun mit­hil­fe der Nahin­fra­rot-Emp­find­lich­keit von Webb beob­ach­tet werden.

Die Daten wur­den im Juni 2023 mit dem Nahin­fra­rot-Spek­tro­gra­phen von Webb auf­ge­nom­men. Zusätz­lich zum Bild des Pla­ne­ten erhiel­ten die Astro­no­men ein Spek­trum, um die Zusam­men­set­zung und die Tem­pe­ra­tur der obe­ren Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten (der Iono­sphä­re) zu mes­sen. Zum ers­ten Mal ent­deck­ten sie eine extrem auf­fäl­li­ge Emis­si­ons­li­nie [1], die auf das Vor­han­den­sein des Tri­hy­dro­gen­ka­ti­ons (H3+) hin­weist, das in Polar­lich­tern ent­ste­hen kann. Auf den Webb-Bil­dern von Nep­tun erscheint die glü­hen­de Auro­ra als cyan­far­be­ne Flecken.

Die Polar­licht­ak­ti­vi­tät auf Nep­tun unter­schei­det sich deut­lich von dem, was wir von der Erde oder sogar von Jupi­ter oder Saturn gewohnt sind. Anstatt sich auf den Nord- und Süd­pol des Pla­ne­ten zu beschrän­ken, befin­den sich die Polar­lich­ter auf Nep­tun in den mitt­le­ren geo­gra­fi­schen Brei­ten des Pla­ne­ten – etwa dort, wo sich auf der Erde Süd­ame­ri­ka befindet.

Dies liegt an der selt­sa­men Beschaf­fen­heit des Magnet­felds des Nep­tun, das ursprüng­lich von der NASA-Son­de Voy­a­ger 2 im Jahr 1989 ent­deckt wur­de und das um 47 Grad gegen­über der Rota­ti­ons­ach­se des Pla­ne­ten geneigt ist. Da die Polar­lich­ter dort ent­ste­hen, wo die Magnet­fel­der in der Atmo­sphä­re des Pla­ne­ten zusam­men­lau­fen, sind Nep­tuns Polar­lich­ter weit von sei­nen Rota­ti­ons­po­len entfernt.

Die bahn­bre­chen­de Ent­de­ckung der Polar­lich­ter des Nep­tuns wird uns hel­fen zu ver­ste­hen, wie das Magnet­feld des Nep­tuns mit Par­ti­keln inter­agiert, die von der Son­ne in die ent­fern­tes­ten Win­kel unse­res Son­nen­sys­tems strö­men – ein völ­lig neu­es Fens­ter in der Atmo­sphä­ren­for­schung der Eisriesen.

Anhand der Webb-Beob­ach­tun­gen konn­te das Wis­sen­schafts­team zudem zum ers­ten Mal seit dem Vor­bei­flug von Voy­a­ger 2 die Tem­pe­ra­tur an der Ober­flä­che der Nep­t­unat­mo­sphä­re mes­sen. Die Ergeb­nis­se geben einen Hin­weis dar­auf, war­um die Polar­lich­ter des Nep­tun den Astro­no­men so lan­ge ver­bor­gen blie­ben: Die obe­re Atmo­sphä­re des Nep­tun hat sich um meh­re­re hun­dert Grad abgekühlt.

Im Lau­fe der Jah­re haben die Astro­no­men die Inten­si­tät von Nep­tuns Polar­lich­tern auf der Grund­la­ge der von Voy­a­ger 2 auf­ge­zeich­ne­ten Tem­pe­ra­tur vor­her­ge­sagt. Eine wesent­lich käl­te­re Tem­pe­ra­tur wür­de zu viel schwä­che­ren Polar­lich­tern füh­ren. Die­se kal­te Tem­pe­ra­tur ist wahr­schein­lich der Grund dafür, dass die Polar­lich­ter des Nep­tun so lan­ge unent­deckt geblie­ben sind. Die dra­ma­ti­sche Abküh­lung deu­tet auch dar­auf hin, dass sich die­ser Bereich der Atmo­sphä­re stark ver­än­dern kann, obwohl der Pla­net im Ver­gleich zur Erde über 30 Mal wei­ter von der Son­ne ent­fernt ist.

Aus­ge­stat­tet mit die­sen neu­en Erkennt­nis­sen hof­fen die Astro­no­men nun, Nep­tun zusam­men mit Webb über einen voll­stän­di­gen Son­nen­zy­klus hin­weg zu unter­su­chen, einen elf­jäh­ri­gen Akti­vi­täts­zeit­raum, der durch das Magnet­feld der Son­ne ange­trie­ben wird. Die Ergeb­nis­se könn­ten Ein­bli­cke in den Ursprung des bizar­ren Magnet­felds des Nep­tuns geben und sogar erklä­ren, war­um es so geneigt ist.

Die­se Beob­ach­tun­gen wur­den im Rah­men der garan­tier­ten Zeit­be­ob­ach­tun­gen im Pro­gramm 1249 (PI: L. Flet­cher) durch­ge­führt. Die Ergeb­nis­se des Teams wur­den in Natu­re Astro­no­my ver­öf­fent­licht.

Endnoten

[1] Eine hel­le Linie in einem Spek­trum, die durch die Emis­si­on von Licht ent­steht. Jedes che­mi­sche Ele­ment emit­tiert und absor­biert Strah­lungs­en­er­gie bei bestimm­ten Wel­len­län­gen. Die Samm­lung der Emis­si­ons­li­ni­en in einem Spek­trum ent­spricht den che­mi­schen Ele­men­ten, die in einem Him­mels­ob­jekt ent­hal­ten sind.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, STScI, Hei­di Ham­mel (AURA), Hen­rik Melin (Nor­th­um­bria Uni­ver­si­ty), Leigh Flet­cher (Uni­ver­si­ty of Lei­ces­ter), Ste­fa­nie Milam (NASA-GSFC)

Links

• Ver­öf­fent­li­chung auf der STScI-Website

Link zur ESA-Pres­se­mit­tei­lung weic2507