Erster zuverlässiger Nachweis von Magnetfeldern auf Exoplaneten

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Ein Team von Astronominnen und Astronomen hat den bislang eindeutigsten Beweis dafür gefunden, dass einige Planeten außerhalb unseres Sonnensystems Magnetfelder aufweisen könnten. Mithilfe des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) und des Gemini-North-Teleskops hat das Forscherteam die Windgeschwindigkeiten auf sieben sehr heißen, Jupiter-ähnlichen Exoplaneten ermittelt. Die Beobachtungen ergaben, dass die Winde auf diesen Planeten höchstwahrscheinlich von Magnetfeldern beeinflusst werden. Damit gelang erstmals der zuverlässige Nachweis von Magnetismus auf Planeten außerhalb des Sonnensystems.

Diese Illustration zeigt die magnetische Aktivität eines Exoplaneten. Der Planet ist ein Gasriese wie Jupiter, befindet sich jedoch sehr nahe an seinem Mutterstern und ist durch Gezeitenkräfte gebunden: Eine Seite ist stets dem Stern zugewandt und glühend heiß, während die andere Seite extrem kalt ist. Dieser enorme Temperaturunterschied erzeugt starke Winde, die von der Tagseite zur Nachtseite wehen. Das Magnetfeld des Planeten, hier durch blaue Linien dargestellt, kann diese Winde abbremsen. – Credit: ESO/M. Kornmesser, L. Calçada

„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, Astronomin am Laboratoire Lagrange, Observatoire de la Côte d’Azur, Frankreich, und Hauptautorin der heute in Nature Astronomy veröffentlichten Studie.

Das Magnetfeld der Erde wirkt sich auf vielfältige Weise auf unsere Atmosphäre aus und ist daher ein entscheidender Faktor für das Verständnis dessen, was den Planeten für Leben bewohnbar macht. Magnetfelder gibt es auch auf anderen Planeten des Sonnensystems, wie Jupiter und Saturn. In den letzten 15 Jahren ist es jedoch niemandem gelungen, die Stärke der Magnetfelder von Exoplaneten direkt zu messen – bis jetzt.

Das Team hatte sich jedoch nicht zum Ziel gesetzt, das Magnetfeld zu vermessen, sondern vielmehr die Winde. Sie bestimmten die Windgeschwindigkeiten auf sieben Exoplaneten, die verschiedene Sterne umkreisen: Gasriesen wie Jupiter, deren Rotation jedoch durch die Gezeitenkräfte des Muttersterns mit ihrem Umlauf synchronisiert wurde und sich sehr nahe an ihm befinden. So wie wir immer nur eine Seite des Mondes sehen, weisen diese Planeten stets eine Seite dem Stern zu. Dadurch haben sich eine glühend heißen Tagseite und eine eiskalten Nachtseite ausgeprägt. Dieser Temperaturunterschied schafft ein Klima, das sich völlig von dem auf unserem Planeten unterscheidet, nämlich eines mit extrem starken Winden. Die Windgeschwindigkeiten in ihrer Stichprobe reichten von etwa 7.200 km/h bis über 25.000 km/h; 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 Seidel, die zuvor als Astronomin bei der ESO in Chile tätig war. Für ihre Messungen nutzte das Team Daten des ESPRESSO-Instruments am VLT der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste sowie eines ähnlichen Instruments am Gemini-North-Teleskop auf Hawaii, USA. (Das VLT ist ein Teleskop der ESO, während Gemini North eine Hälfte des International Gemini Observatory ist, das teilweise von der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) finanziert und vom NSF NOIRLab betrieben wird.)

Als sie 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.

Das Team kam zu dem Schluss, dass die plausibelste Erklärung für dieses Rätsel 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.

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.

Das Team wartet gespannt auf die Inbetriebnahme des Extremely Large Telescope der ESO, das dabei helfen wird, nicht nur große, Jupiter-ähnliche Exoplaneten, sondern auch kleinere wie die Erde zu charakterisieren und möglicherweise sogar Gase nachzuweisen, die auf diesen fernen Welten Polarlichter erzeugen könnten. Prinoth sagt: „Ich stelle mir gerne vor, dass der Himmel einiger dieser Welten nicht nur mit Sternen, sondern auch mit riesigen Vorhängen aus buntem Licht gefüllt ist, die über einen Planeten tanzen, der zur Hälfte in ewigem Tag und zur Hälfte in endloser Nacht liegt.“

Hintergrundinformationen

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