Astronomen haben den ersten Strahlungsgürtel beschrieben, der außerhalb unseres Sonnensystems beobachtet wurde. Dabei wurde eine koordinierte Anordnung von 39 Radioschüsseln von Hawaii bis Deutschland eingesetzt, um hochauflösende Bilder zu erhalten. Die Bilder der anhaltenden, intensiven Radioemissionen eines ultrakalten Zwergs zeigen das Vorhandensein einer Wolke hochenergetischer Elektronen, die im starken Magnetfeld des Objekts gefangen sind und eine doppellappige Struktur bilden, die den Radiobildern von Jupiters Strahlungsgürtel ähnelt.
„Wir bilden die Magnetosphäre unseres Ziels ab, indem wir das radioemittierende Plasma – seinen Strahlungsgürtel – in der Magnetosphäre beobachten. Das ist bei einem Gasriesen von der Größe eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems noch nie gemacht worden“, sagt Melodie Kao, Postdoktorandin an der UC Santa Cruz und Erstautorin eines am 15. Mai in Nature veröffentlichten Artikels über die neuen Erkenntnisse.
Starke Magnetfelder bilden eine „Magnetblase“ um einen Planeten, die so genannte Magnetosphäre, die Teilchen einfangen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Alle Planeten in unserem Sonnensystem, die über solche Magnetfelder verfügen, einschließlich der Erde, des Jupiters und der anderen Riesenplaneten, haben Strahlungsgürtel, die aus diesen hochenergetischen geladenen Teilchen bestehen, die vom Magnetfeld des Planeten eingefangen werden.
Bei den Strahlungsgürteln der Erde, den so genannten Van-Allen-Gürteln, handelt es sich um große, donutförmige Zonen mit hochenergetischen Teilchen, die vom Sonnenwind durch das Magnetfeld eingefangen werden. Die meisten Teilchen in den Gürteln des Jupiters stammen von den Vulkanen auf seinem Mond Io. Würde man sie nebeneinander stellen, wäre der Strahlungsgürtel, den Kao und ihr Team abgebildet haben, 10 Millionen Mal heller als der des Jupiters.
Teilchen, die vom Magnetfeld in Richtung der Pole abgelenkt werden, erzeugen Polarlichter, wenn sie mit der Atmosphäre interagieren, und Kaos Team hat auch das erste Bild erhalten, das in der Lage ist, zwischen dem Ort des Polarlichts eines Objekts und seinem Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems zu unterscheiden.
Der in dieser Studie abgebildete ultrakühle Zwerg befindet sich an der Grenze zwischen massearmen Sternen und massereichen Braunen Zwergen. „Während die Entstehung von Sternen und Planeten unterschiedlich sein kann, kann die Physik in ihrem Inneren in diesem breiigen Teil des Massenkontinuums, der massearme Sterne mit braunen Zwergen und Gasriesenplaneten verbindet, sehr ähnlich sein“, erklärt Kao.
Die Charakterisierung der Stärke und Form der Magnetfelder dieser Klasse von Objekten ist weitgehend unbekanntes Terrain, sagte sie. Mit Hilfe ihres theoretischen Verständnisses dieser Systeme und numerischer Modelle können Planetenforscher die Stärke und Form des Magnetfelds eines Planeten vorhersagen, aber sie hatten bisher keine gute Möglichkeit, diese Vorhersagen einfach zu testen.
„Mit Hilfe von Polarlichtern lässt sich die Stärke des Magnetfelds messen, nicht aber seine Form. Wir haben dieses Experiment entwickelt, um eine Methode zur Bewertung der Form von Magnetfeldern auf Braunen Zwergen und eventuell Exoplaneten vorzustellen“, so Kao.
Die Stärke und Form des Magnetfelds kann ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Bewohnbarkeit eines Planeten sein. „Wenn wir über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten nachdenken, müssen wir neben der Atmosphäre und dem Klima auch die Rolle des Magnetfelds bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Umgebung berücksichtigen“, so Kao.
Um ein Magnetfeld zu erzeugen, muss das Innere eines Planeten heiß genug sein, um elektrisch leitende Flüssigkeiten zu haben, was im Falle der Erde das geschmolzene Eisen in ihrem Kern ist. Beim Jupiter besteht die leitende Flüssigkeit aus 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 LSR J1835+3259 war das einzige Objekt, von dem Kao überzeugt war, dass es die qualitativ hochwertigen Daten liefern würde, die zur Auflösung seiner Strahlungsgürtel erforderlich sind.
„Jetzt, da wir festgestellt haben, dass diese besondere Art von stationärer, schwacher Radioemission Strahlungsgürtel in den großräumigen Magnetfeldern dieser Objekte aufspürt, können wir, wenn wir diese Art von Emission von Braunen Zwergen – und schließlich von Gasriesen-Exoplaneten – sehen, mit größerer Sicherheit sagen, dass sie wahrscheinlich ein großes Magnetfeld haben, Auch wenn unser Teleskop nicht groß genug ist, um seine Form zu erkennen“, sagte Kao und fügte hinzu, dass sie sich darauf freue, wenn das Next Generation Very Large Array, das derzeit vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) geplant wird, viele weitere extrasolare Strahlungsgürtel abbilden kann.
„Dies ist ein entscheidender erster Schritt, um noch mehr solcher Objekte zu finden und unsere Fähigkeiten zu verbessern, um nach immer kleineren Magnetosphären zu suchen, die uns schließlich in die Lage versetzen, die Magnetosphären potenziell bewohnbarer Planeten von der Größe der Erde zu untersuchen“, sagte Koautorin Evgenya Shkolnik von der Arizona State University, die sich seit vielen Jahren mit den Magnetfeldern und der Bewohnbarkeit von Planeten beschäftigt.
Das Team nutzte das High Sensitivity Array, bestehend aus 39 Radioschüsseln, die vom NRAO in den Vereinigten Staaten koordiniert werden, und das Effelsberg-Radioteleskop, das von der Max-Planck-Gesellschaft betrieben wird.
