Superflares für Exoplaneten weniger gefährlich als gedacht

Superflares, extreme Strahlungsausbrüche von Sternen, standen bisher im Verdacht, den Atmosphären und damit der Habitabilität von Exoplaneten nachhaltig zu schaden. Laut einer neu veröffentlichten Studie gibt es Hinweise darauf, dass diese Ausbrüche nur eine begrenzte Gefahr für Planetensysteme darstellen, da sie nicht in Richtung der Exoplaneten explodieren. Eine Pressemitteilung des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP).

Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).

Kleine Sterne brechen aktiv aus und stoßen Partikel aus, die die Atmosphären von Planeten, die sie umkreisen, verändern und verdampfen können. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass extreme Strahlungsausbrüche bevorzugt in hohen Breitengraden auftreten und Planeten, die um den Sternäquator kreisen, verschonen. (Bild: AIP/ J. Fohlmeister)

5. August 2021 – Mit Hilfe von optischen, zeitaufgelösten Beobachtungen des Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) haben Astronominnen und Astronomen des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) in Zusammenarbeit mit Forschenden aus den USA und Spanien große Superflares auf jungen, kleinen Sternen untersucht. Diese Klasse von Sternen, auch „Rote Zwerge“ genannt, haben eine niedrigere Temperatur und Masse als unsere Sonne.

Viele Exoplaneten wurden um diese Art von Sternen entdeckt. Die Frage ist, ob diese Exoplaneten habitabel, also bewohnbar sind, denn Rote Zwerge sind aktiver als unsere Sonne und zeigen häufige und intensive Strahlungsausbrüche. Diese sogenannten Flares sind magnetische Explosionen in der Atmosphäre von Sternen, die intensive elektromagnetische Strahlung in den Weltraum schleudern. Große Flares sind mit der Aussendung von energiereichen Teilchen verbunden, die Exoplaneten um den ausbrechenden Stern treffen und deren Atmosphären verändern oder sogar zerstören können.

Ekaterina Ilin, Doktorandin am AIP, und das Team entwickelten eine Methode, um festzustellen, von wo auf der Oberfläche der Sterne die Flares entspringen. „Wir entdeckten, dass extrem große Flares in der Nähe der Pole von Roten Zwergen zünden und nicht an ihrem Äquator, wie es bei der Sonne typischerweise der Fall ist“, sagt Ilin. „Exoplaneten, die sich auf einer Bahn in der Ebene um den Äquator des Sterns bewegen, so wie die Planeten in unserem eigenen Sonnensystem, könnten daher weitgehend vor solchen Superflares geschützt sein, da diese nach oben oder unten aus dem Exoplanetensystem heraus gerichtet sind. Dies könnte die Aussichten für die Habitabilität von Exoplaneten um kleine Rote Zwerge verbessern. Sie wären sonst durch die energetische Strahlung und Teilchen, die mit Flares einhergehen, viel stärker gefährdet als Planeten in unserem Sonnensystem.“

Der Nachweis der polnahen Flares ist ein Beleg dafür, dass sich in der Nähe der Rotationspole von schnell rotierenden Sternen starke und dynamische Konzentrationen stellarer Magnetfelder bilden, die sich als dunkle Flecken und Flares manifestieren können. Die Existenz solcher „polaren Flecken“ wird seit langem durch indirekte Rekonstruktionstechniken wie (Zeeman) Doppler Imaging von Sternoberflächen vermutet, konnte aber bisher nicht direkt nachgewiesen werden. Dies gelang dem Team durch die Analyse von Weißlicht-Flares an schnell rotierenden M-Zwergsternen. Diese dauern lange genug an, um durch ihr Herein- und Herausrotieren auf der Sternoberfläche in ihrer Helligkeit moduliert zu werden. Die Autorinnen und Autoren konnten aus der Form der Lichtkurve direkt auf die geografische Breite der Flares schließen und zeigten außerdem, dass die Nachweismethode für alle Breitengrade gleichmäßig effizient ist. „Ich freue mich besonders, dass wir die Existenz der polaren Flecken bei solchen schnell rotierenden Sternen endlich gut belegen können. In der Zukunft wird uns dies helfen, die Magnetfeldstrukturen dieser Sterne besser zu verstehen“, ergänzt Katja Poppenhäger, Leiterin der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten.

Die Forschenden durchsuchten das gesamte Archiv der TESS-Beobachtungen nach Sternen, die große Flares aufweisen, indem sie die Lichtkurven von über 3000 Roten Zwergen auswerteten, die insgesamt über 400 Jahren Beobachtungszeit entsprechen. Unter diesen Sternen fanden sie vier, die für die neue Methode geeignet waren. Ihre Ergebnisse zeigen, dass alle vier Flares oberhalb von ∼55 Grad geografischer Breite auftraten, also viel näher am Pol als Eruptionen und -flecken, die bei unserer Sonne normalerweise unterhalb von 30 Grad auftreten. Selbst bei nur vier Flares ist dieses Ergebnis bedeutend: Wären die Flares gleichmäßig über die Sternoberfläche verteilt, würde die Wahrscheinlichkeit, gleich vier von ihnen in solch hohen Breitengraden zu finden, bei 1 zu 1000 liegen. Dies hat Auswirkungen auf Modelle der Magnetfelder von Sternen und auf die Habitabilität von Exoplaneten, die sie umkreisen.

Originalveröffentlichung

Ekaterina Ilin, Katja Poppenhaeger, Sarah J Schmidt, Silva P Järvinen, Elisabeth R Newton, Julián D Alvarado-Gómez, J Sebastian Pineda, James R A Davenport, Mahmoudreza Oshagh, Ilya Ilyin,

Giant white-light flares on fully convective stars occur at high latitudes,

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2021.

DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2159 https://arxiv.org/abs/2108.01917

Über das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

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