Quelle: AIP 3. August 2023.

3. August 2023 – Die Forschenden fanden heraus, dass Sterne mit stärkeren Magnetfeldern stärkere Winde erzeugen. Diese Winde können ungünstige Bedingungen für das Überleben von Planetenatmosphären schaffen und damit die mögliche Bewohnbarkeit dieser Systeme beeinträchtigen.

Die Sonne gehört zu den am häufigsten vorkommenden Sternen im Universum, die als „kühle Sterne“ bezeichnet werden. Diese Sterne werden in vier Kategorien unterteilt (Typ F, G, K und M), die sich in Größe, Temperatur und Helligkeit unterscheiden. Die Sonne ist ein ziemlich durchschnittlicher Stern und gehört zur Kategorie G. Sterne, die heller und größer als die Sonne sind, gehören zur Kategorie F, und K-Sterne sind etwas kleiner und kühler als die Sonne. Die kleinsten und schwächsten Sterne sind die M-Sterne, die aufgrund der Farbe, in der sie das meiste Licht aussenden, auch als „rote Zwerge“ bezeichnet werden.

Satelliten-Beobachtungen haben gezeigt, dass die Sonne neben Licht auch einen anhaltenden Strom von Teilchen aussendet, der als Sonnenwind bekannt ist. Diese Winde durchqueren den interplanetaren Raum und interagieren mit den Planeten des Sonnensystems, einschließlich der Erde. Das wunderschöne Schauspiel der Polarlichter in der Nähe der Pole wird durch diese Wechselwirkung erzeugt. Diese Winde können jedoch auch schädlich sein, da sie eine stabile Planetenatmosphäre zerstören können, wie es auf dem Mars der Fall war. Während über den Sonnenwind viel bekannt ist – unter anderem dank Missionen wie Solar Orbiter –, gilt dies nicht für andere kühle Sterne. Das Problem besteht darin, dass wir diese Sternwinde nicht direkt sehen können, so dass wir uns auf die Untersuchung ihres Einflusses auf das dünne Gas beschränken müssen, das den Raum zwischen den Sternen in der Galaxie füllt. Dieser Ansatz hat jedoch mehrere Einschränkungen und ist nur auf einige wenige Sterne anwendbar. Aus diesem Grund werden Computersimulationen und Modelle eingesetzt, um die verschiedenen Eigenschaften der Sternwinde vorherzusagen, ohne dass Astronominnen und Astronomen sie beobachten müssen.

In diesem Zusammenhang haben die Doktorandin Judy Chebly, der Wissenschaftler Dr. Julián D. Alvarado-Gómez und die Abteilungsleiterin Prof. Dr. Katja Poppenhäger aus der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP in Zusammenarbeit mit Cecilia Garraffo vom Center for Astrophysics am Harvard & Smithsonian die erste systematische Studie der Eigenschaften von Sternwinden erstellt, die für F-, G-, K- und M-Sterne erwartet werden. Die numerischen Simulationen wurden mit den Supercomputern des AIP und des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) durchgeführt, wobei eines der anspruchsvollsten derzeit verfügbaren Modelle verwendet wurde.

Das Team untersuchte, wie sich die Eigenschaften der Sterne, wie Schwerkraft, Magnetfeldstärke und Rotationsdauer, auf die Windeigenschaften in Form von Geschwindigkeit oder Dichte auswirken.

Die Ergebnisse umfassen eine vollständige Charakterisierung der Eigenschaften des Sternwinds über alle Sterntypen hinweg, und zeigen, dass frühere Annahmen zu den Sternwindgeschwindigkeiten überdacht werden müssen, wenn die damit verbundenen Massenverluste aus Beobachtungen geschätzt werden. Darüber hinaus ermöglichen die Simulationen die Vorhersage der erwarteten Größe der Alfvén-Oberfläche – der Grenze zwischen der Korona des Sterns und seinem Sternwind. Diese Informationen sind von grundlegender Bedeutung, um festzustellen, ob ein Planetensystem möglicherweise starken magnetischen Stern-Planeten-Wechselwirkungen ausgesetzt ist, die auftreten können, wenn die Planetenbahn in die Alfvén-Oberfläche des Sterns eintritt oder vollständig darin eingebettet ist.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass Sterne mit Magnetfeldern, die größer sind als die der Sonne, schnellere Winde haben. In einigen Fällen können die Sternwindgeschwindigkeiten bis zu fünfmal schneller sein als die durchschnittliche Sonnenwindgeschwindigkeit, die typischerweise 450 km/s beträgt. Im Rahmen der Untersuchung wurde ermittelt, wie stark die Winde dieser Sterne in den so genannten „habitablen Zonen“ sind, d. h. in den Entfernungen, in denen felsige Exoplaneten bei einem erdähnlichen atmosphärischen Druck flüssiges Wasser an der Oberfläche haben könnten. In der Nähe von Sternen des F- und G-Typs herrschen mildere Bedingungen, vergleichbar mit denen, die die Erde in der Nähe der G-Typ-Sonne vorfindet, während die Winde bei Sternen des K- und M-Typs zunehmend schroffer werden. Solch kräftige Sternwinde wirken sich stark auf eine mögliche Atmosphäre des Planeten aus.

Dieses Phänomen ist in der Sonnenphysik zwischen Gesteinsplaneten und der Sonne gut dokumentiert, aber nicht im Fall von Exoplaneten-Systemen. Dies erfordert Schätzungen des Sternwindes, um ähnliche Prozesse zu bewerten, wie wir sie zwischen dem Sonnenwind und den Planetenatmosphären beobachten. Informationen über den Sternwind waren bisher für Hauptreihen-Sterne der Klassen F bis M nicht bekannt, was diese Studie im Zusammenhang mit der Habitabilität wichtig macht. Die hier vorgestellte Arbeit wurde für 21 Sterne durchgeführt, aber die Ergebnisse sind allgemein genug, um auf andere kühle Hauptreihensterne angewendet zu werden. Diese Untersuchung ebnet den Weg für künftige Forschungen zur Beobachtung von Sternwinden und deren Einfluss auf die Erosion von Planetenatmosphären.

Über das 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.

Originalveröffentlichung
Judy J Chebly, Julián D Alvarado-Gómez, Katja Poppenhäger, Cecilia Garraffo, Numerical quantification of the wind properties of cool main sequence stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 524, Issue 4, October 2023, Pages 5060–5079.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad2100,
https://academic.oup.com/mnras/article/524/4/5060/7226714,
https://arxiv.org/abs/2307.04615;

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• Exoplaneten

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

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://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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