Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Das Magnetfeld eines Sterns muss berücksichtigt werden, um die Größe und andere Eigenschaften seiner Exoplaneten aus Beobachtungsdaten von Weltraumteleskopen wie Kepler, James Webb oder PLATO korrekt zu bestimmen. Das belegen neue Modellrechnungen, die eine Forschergruppe unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy vorstellt. Die Forschenden zeigen, dass die Helligkeitsverteilung des Sterns über seine gesamte Scheibe von seiner magnetischen Aktivität abhängt. Dies wiederum beeinflusst die Spuren, die seine Exoplaneten in Beobachtungsdaten hinterlassen. Das neue Modell der Forschergruppe ist unerlässlich, um bei der Suche nach fernen Welten außerhalb unseres Sonnensystems die Daten der neusten Generation von Weltraumteleskopen richtig interpretieren zu können.

700 Lichtjahre entfernt von der Erde im Sternbild Jungfrau zieht der Planet WASP-39b seine Bahnen um den Stern WASP-39. Der Gasriese, der kaum mehr als vier Tage für einen Umlauf benötigt, zählt zu den am besten untersuchten Exoplaneten: Kurz nach der Inbetriebnahme im Juli 2022 richtete das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA seinen hochpräzisen Blick auf den fernen Planeten. In den Messdaten fanden sich Hinweise auf große Mengen Wasserdampf, auf Methan und sogar erstmals auf Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Eine kleine Sensation. Doch es bleibt ein Wermutstropfen: Forschenden gelingt es bisher nicht, alle entscheidenden Details der Messkurven in Modellrechnungen zu reproduzieren. Dies steht einer noch exakteren Auswertung der Daten im Wege. In ihrer aktuellen Studie zeigt das vom MPS geleitete Team, zu dem auch Forschende des Massachusetts Institute of Technology (USA), des Space Telescope Science Institute (USA), der Universität Keele (Vereinigtes Königreich) und der Universität Heidelberg gehören, einen Weg auf, dieses Hindernis zu überwinden.

„Die Probleme, die sich bei der Interpretation der Messdaten von WASP-39b ergeben, kennen wir von vielen Exoplaneten – ganz gleich, ob sie mit den Weltraumteleskopen Kepler, TESS, James-Webb oder der zukünftigem Raumsonde PLATO beobachtet werden“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Nadiia Kostogryz, Erstautorin der neuen Studie. „Auch bei WASP-39 fällt die beobachtete Lichtkurve flacher ab, als bisherige Modelle erklären können“, fügt sie hinzu.

Als Lichtkurve bezeichnen Forschende Helligkeitsmessung eines Sterns über einen längeren Zeitraum. Die Helligkeit eines Sterns fluktuiert ständig, etwa weil seine Leuchtkraft natürlichen Schwankungen unterliegt. Auch Exoplaneten können Spuren in der Lichtkurve hinterlassen. Zieht ein Exoplanet vom Beobachter aus betrachtet vor seinem Stern vorbei, verdunkelt er ihn. In der Lichtkurve zeigt sich dies als regelmäßig wiederkehrender Helligkeitsabfall. Genaue Auswertungen solcher Kurven liefern Informationen über Größe und Umlaufdauer des Planeten. Zudem können Forschende ihnen Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten entnehmen, wenn sie das Sternenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten.

Genauer Blick auf den Randbereich
Eine entscheidende Rolle bei der Interpretation einer Lichtkurve spielt der Randbereich eines Sterns. Wie im Fall der Sonne erscheint dieser dem Beobachter dunkler als der innere Bereich des Sterns. Dabei leuchtet der Stern weiter außen nicht wirklich weniger hell. „Da der Stern eine Kugel ist und seine Oberfläche gekrümmt, schauen wir am Rand in höhere und deshalb kühlere Schichten als in der Mitte“, erklärt Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon. „Dieser Bereich erscheint uns deshalb dunkler“, fügt er hinzu.

Dass sich die Randverdunklung auf die genaue Form des Exoplaneten-Signals in der Lichtkurve auswirkt, ist bekannt: Die Verdunklung bestimmt, wie steil die Helligkeit eines Sterns beim Planetentransit abfällt und danach wieder ansteigt. Doch mit herkömmlichen Modellen der Sternatmosphäre war es bisher nicht möglich, Messdaten genau zu reproduzieren. Die gemessenen Lichtkurven fielen stets weniger abrupt ab, als die Modellrechnungen erwarten ließen. „Es war klar, dass uns ein entscheidendes Puzzleteil fehlt, um das Signal der Exoplaneten genau zu verstehen“, so Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki.

Magnetfeld ist das fehlende Puzzleteil
Wie die heute veröffentlichten Rechnungen zeigen, handelt es sich bei dem gesuchten Puzzleteil um das Magnetfeld des Sterns. Wie auch die Sonne erzeugen viele Sterne tief in ihrem Innern durch gewaltige Plasmaumwälzungen ein Magnetfeld. Dieses konnten die Forscher*innen nun erstmals in ihre Modellrechnungen der Randverdunklung einbeziehen. Dabei zeigte sich, dass sich die Stärke des Magnetfeldes empfindlich auswirkt: Bei Sternen mit schwachem Magnetfeld ist die Randverdunklung ausgeprägt; bei solchen mit starkem Magnetfeld fällt sie schwächer aus.

Zudem konnten die Forscher*innen belegen, dass die Diskrepanz zwischen Beobachtungsdaten und Modellrechnungen verschwindet, wenn das Magnetfeld des Sterns mitberücksichtigt wird. Dafür wandte sich das Team ausgewählten Messdaten des NASA-Weltraumteleskops Kepler zu, das von 2009 bis 2018 das Licht abertausender Sterne einfing. In einem ersten Schritt modellierten die Wissenschaftler*innen die Atmosphäre typischer Kepler-Sterne unter Beisein eines Magnetfeldes. In einem zweiten Schritt erzeugten sie dann aus diesen Rechnungen „künstliche“ Beobachtungsdaten. Wie ein Vergleich mit den echten Messdaten zeigte, gelingt es, die Kepler-Daten zu reproduzieren, wenn das Magnetfeld berücksichtigt wird.

Ebenso weitete das Team seine Überlegungen auf Messdaten des James-Webb-Teleskops aus. Dies ist in der Lage, das Licht ferner Sterne in seine verschiedenen Wellenlängen zu zerlegen und so nach den charakteristischen Anzeichen bestimmter Moleküle in der Atmosphäre der entdeckten Planeten zu suchen. Wie sich zeigt, beeinflusst das Magnetfeld des Muttersterns seine Randverdunklung in verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich – und sollte deshalb bei künftigen Auswertungen mitberücksichtigt werden, um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen.

Von Teleskopen zu Modellen
„In den vergangenen Jahrzehnten und Jahren bestand der Weg, in der Exoplanetenforschung voranzukommen, darin, die Hardware zu verbessern, also die Weltraumteleskope, die für die Suche nach neuen Welten und deren Charakterisierung entwickelt wurden. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist die aktuelle Spitze dieser Entwicklung“, so Dr. Alexander Shapiro, Koautor der aktuellen Studie und Leiter einer MPS-Forschungsgruppe, die von der Europäischen Forschungskommission (ERC) gefördert wird. „Der nächste Schritt ist es nun, die Modelle zur Interpretation dieser hervorragenden Daten zu verbessern und zu verfeinern“, fügt er hinzu.

Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, wollen die Forscher*innen ihre Analysen nun auf Sterne ausweiten, die sich deutlich von der Sonne unterscheiden. Zudem bieten ihre Erkenntnisse die Möglichkeit, in Zukunft aus den Lichtkurven von Sternen mit Exoplaneten auf die Stärke des Sternmagnetfeldes zu schließen.

Originalveröffentlichung
Nadiia M. Kostogryz, Alexander I. Shapiro, Veronika Witzke et al.:
Magnetic origin of the discrepancy between stellar limb-darkening models and observations,
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02252-5
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5.pdf

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Quelle: AIP 10. Januar 2024.

10. Januar 2024 – Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass das Magnetfeld von Sternen ihre eigene Rotation endlos verlangsamt. Neue Beobachtungen und ausgefeilte Methoden geben nun neue und unerwartete Einblicke in die magnetischen Geheimnisse eines Sterns: Die kosmischen Hotspots für die Suche nach außerirdischen Nachbarn könnten Planeten um Sterne, die sich in ihrer Midlife-Crisis und darüber hinaus befinden, darstellen. Aufschluss über magnetische Phänomene und bewohnbare Umgebungen gibt eine neue Studie, die die Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlichte.

Die Schweizer Astronomen Michael Mayor und Didier Queloz gaben 1995 die erste Entdeckung eines Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bekannt, der einen fernen, sonnenähnlichen Stern mit der Bezeichnung 51 Pegasi umkreist. Seitdem wurden über 5500 sogenannte Exoplaneten gefunden, die um andere Sterne in unserer Galaxie kreisen. 2019 erhielten die beiden Wissenschaftler für ihre Pionierarbeit gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Diese Woche veröffentlichte ein internationales Team neue Beobachtungen von 51 Pegasi, die darauf hindeuten, dass die derzeitige magnetische Umgebung um den Stern besonders günstig für die Entwicklung von komplexem Leben sein könnte.

Sterne wie unsere Sonne entstehen mit hoher Eigenrotation, was ein starkes Magnetfeld verursacht, das heftig ausbrechen und ihre Planetensysteme mit geladenen Teilchen und schädlicher Strahlung bombardieren kann. Im Laufe von Jahrmilliarden verlangsamt sich die Rotation des Sterns allmählich, wenn sein Magnetfeld durch einen von seiner Oberfläche ausgehenden Wind schwächer wird – ein Prozess, der als magnetische Bremsung bezeichnet wird. Die langsamere Rotation erzeugt ein schwächeres Magnetfeld, und beide Eigenschaften nehmen gemeinsam ab, wobei sie sich gegenseitig bedingen. Bis vor kurzem ging die Astronomie davon aus, dass diese magnetische Bremsung unbegrenzt anhält, aber neue Beobachtungen haben begonnen, diese Annahme in Frage zu stellen.

„Wir müssen die Bücher dahingehend neu schreiben, wie sich Rotation und Magnetismus in älteren Sternen wie der Sonne nach der Mitte ihrer Lebenszeit verändern“, sagt Teamleiter Travis Metcalfe, ein leitender Wissenschaftler der White Dwarf Research Corporation in Golden, Colorado, USA. „Unsere Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen für Sterne mit Planetensystemen und deren Aussichten auf die Entwicklung fortgeschrittener Zivilisationen.“ Klaus Strassmeier, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP) und Mitautor der Studie fügt hinzu: „Das liegt daran, dass eine geschwächte magnetische Bremsung stellare Winde drosselt und verheerende, eruptive Ereignisse damit weniger wahrscheinlich macht.“

Das Team aus den Vereinigten Staaten und Europa kombinierte Beobachtungen von 51 Pegasi vom Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA mit hochmodernen Messungen seines Magnetfeldes durch das Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument (PEPSI) am Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona. Obwohl der Exoplanet, der 51 Pegasi umkreist, von der Erde aus gesehen nicht vor seinem Mutterstern vorbeizieht, zeigt der Stern selbst in den TESS-Beobachtungen subtile Helligkeitsschwankungen, die zur Messung des Radius, der Masse und des Alters des Sterns verwendet werden können – eine Technik, die als Asteroseismologie bekannt ist. Unterdessen bewirkt das Magnetfeld des Sterns im Sternenlicht eine kleine Polarisation, sodass PEPSI am LBT eine magnetische Karte der Sternoberfläche erstellen kann, während sich der Stern dreht – eine Technik genannt Zeeman-Doppler-Bildgebung. Mit diesen Messungen konnte das Team die aktuelle magnetische Umgebung des Sterns bewerten.

Frühere Beobachtungen des NASA-Weltraumteleskops Kepler deuteten bereits darauf hin, dass die magnetische Abbremsung jenseits des Sonnenalters deutlich schwächer werden könnte, wodurch die enge Beziehung zwischen Rotation und Magnetismus bei älteren Sternen aufgehoben würde. Die Beweise für diese Veränderung waren jedoch indirekt und beruhten auf Messungen der Rotationsrate von Sternen mit einer großen Altersspanne. Es war klar, dass die Rotation irgendwann in der Nähe des Alters der Sonne (4,5 Milliarden Jahre) aufhörte, sich zu verlangsamen und dass eine geschwächte magnetische Bremsung in älteren Sternen dieses Verhalten reproduzieren könnte. Allerdings können nur direkte Messungen des Magnetfelds eines Sterns die zugrundeliegenden Ursachen ermitteln und die von Kepler beobachteten Objekte waren zu schwach für LBT-Beobachtungen. Die TESS-Mission begann 2018 mit der Sammlung von Messungen – ähnlich wie bei Kepler, jedoch für die nächstgelegenen und hellsten Sterne am Himmel, darunter 51 Pegasi.

In den letzten Jahren hat das Team begonnen, mit PEPSI am LBT die Magnetfelder mehrerer TESS-Ziele zu messen und so nach und nach ein neues Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich der Magnetismus in Sternen wie der Sonne verändert, wenn sie älter werden. Die Beobachtungen ergaben, dass sich die magnetische Bremswirkung bei Sternen, die etwas jünger als die Sonne sind, plötzlich ändert. Zu diesem Zeitpunkt wird sie mehr als zehnmal schwächer und nimmt mit zunehmendem Alter der Sterne weiter ab. Das Team führt diese Veränderungen auf eine unerwartete Verschiebung der Stärke und Komplexität des Magnetfelds sowie den Einfluss dieser Verschiebung auf den Sternwind zurück. Die neu gemessenen Eigenschaften von 51 Pegasi zeigen, dass er – genau wie unsere eigene Sonne – diesen Übergang zu einer geschwächten magnetischen Bremsung bereits durchlaufen hat.

„Es ist sehr erfreulich, dass das LBT und PEPSI eine neue Perspektive auf dieses Planetensystem aufzeigen konnten, das eine so zentrale Rolle in der Exoplanetenastronomie spielte“, sagt Klaus Strassmeier, leitender Forscher des PEPSI-Spektrographen. „Diese Forschung ist ein wichtiger Schritt auf der Suche nach Leben in unserer Galaxie“.

In unserem eigenen Sonnensystem fand der Übergang des Lebens von den Ozeanen auf das Land vor mehreren hundert Millionen Jahren statt und fiel mit dem Zeitpunkt zusammen, an dem die magnetische Bremswirkung der Sonne nachließ. Junge Sterne bombardieren ihre Planeten mit Strahlung und geladenen Teilchen, die der Entwicklung von komplexem Leben entgegenstehen. Ältere Sterne scheinen jedoch ein stabileres Umfeld zu bieten. Travis Metcalfe zufolge deuten die Ergebnisse des Teams darauf hin, dass die besten Orte für die Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems auf Planeten um Sterne mittleren und höheren Alters liegen könnten.

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.

Weitere Informationen
Weakened Magnetic Braking in the Exoplanet Host Star 51 Peg
Travis S. Metcalfe, Klaus G. Strassmeier, Ilya V. Ilyin, Derek Buzasi, Oleg Kochukhov, Thomas R. Ayres, Sarbani Basu, Ashley Chontos, Adam J. Finley, Victor See, Keivan G. Stassun, Jennifer L. van Saders, Aldo G. Sepulveda, and George R. Ricker
The Astrophysical Journal Letters, Vol. 960, Issue 1, p. L6
DOI: 10.3847/2041-8213/ad0a95
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0a95
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad0a95/pdf

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