Beispiellose Entdeckung: Astronomen finden ersten Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems

Von der Arizona State University, 23. Mai 2023

Künstlerische Darstellung einer Aurora auf dem Braunen Zwerg LSR J1835+3259 und seinem umgebenden Strahlungsgürtel. Bildnachweis: Chuck Carter, Melodie Kao, Heising-Simons Foundation

For the first time, astronomers have discovered a radiation belt outside our solar system, around a brown dwarf called LSR J1835+3259. The belt is 10 million times more intense than JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Jupiters und stellt einen entscheidenden Schritt bei der Erforschung potenziell bewohnbarer erdgroßer Planeten dar. Möglich wurde die Entdeckung durch ein globales Netzwerk von 39 Radioschüsseln.

Strahlungsgürtel sind donutförmige magnetische Strukturen, die einen Planeten umhüllen und mit extrem energiereichen Elektronen und geladenen Teilchen gefüllt sind.

Originally discovered first around Earth in 1958 with the Explorer 1 and 3 satellites, radiation belts are now known to be a common feature in the solar system: All of the planets with large-scale magnetic fields — including Earth, Jupiter, SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn, UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus, and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Neptun – haben Sie sie. Außerhalb unseres Sonnensystems konnte bisher jedoch kein Strahlungsgürtel deutlich gesehen werden.

Ein kleines Team von Astronomen unter der Leitung von Melodie Kao, früher von der Arizona State University und jetzt 51 Pegasi b Fellow an der University of California, Santa Cruz, und zu dem auch Professor Evgenya Shkolnik von der School of Earth and Space Exploration der ASU gehört, hat das erste entdeckt Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems. Die Ergebnisse wurden am 15. Mai in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Entdeckung wurde rund um den „Braunen Zwerg“ LSR J1835+3259 gemacht, der etwa so groß wie Jupiter, aber viel dichter ist. Er befindet sich nur 20 Lichtjahre entfernt im Sternbild Leier und ist nicht schwer genug, um ein Stern zu sein, aber zu schwer, um ein Planet zu sein. Da Strahlungsgürtel außerhalb unseres Sonnensystems bisher nie deutlich sichtbar waren, war nicht bekannt, ob sie um andere Objekte als Planeten herum existieren könnten.

„Dies ist ein entscheidender erster Schritt, um viele weitere solcher Objekte zu finden und unsere Fähigkeiten bei der Suche nach immer kleineren Magnetosphären zu verbessern, was uns schließlich in die Lage versetzt, die von potenziell bewohnbaren erdgroßen Planeten zu untersuchen“, sagte Shkolnik, der die Magnetosphären untersucht hat Felder und Bewohnbarkeit von Exoplaneten seit vielen Jahren.

Die ersten Bilder eines extrasolaren Strahlungsgürtels wurden durch die Kombination von 39 Radioteleskopen zu einem virtuellen Teleskop gewonnen, das den Globus von Hawaii bis Deutschland umspannt. Bildnachweis: Melodie Kao, Amy Mioduszewski

Obwohl für das menschliche Auge unsichtbar, handelt es sich bei dem von diesem Team entdeckten Strahlungsgürtel um eine riesige Struktur. Sein Außendurchmesser beträgt mindestens 18 Jupiterdurchmesser, und die hellsten inneren Regionen sind durch 9 Jupiterdurchmesser voneinander getrennt. Dieser neu entdeckte extrasolare Strahlungsgürtel besteht aus Partikeln, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und im Radiowellenlängenbereich am hellsten leuchten. Er ist fast zehn Millionen Mal intensiver als der des Jupiter, der selbst millionenfach heller als der der Erde ist und die energiereichsten Partikel aller Sonnenstrahlen aufweist Systemplanet.

The team captured three high-resolution pictures of the radio-emitting electrons trapped in LSR J1835+3259's magnetosphere over the course of a year using an observing technique now famous for imaging our galaxy's black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">schwarzes Loch.

Durch die Koordinierung von 39 Radioschüsseln von Hawaii bis nach Deutschland zu einem erdgroßen Teleskop gelang es dem Team, die dynamische magnetische Umgebung des Braunen Zwergs, bekannt als „Magnetosphäre“, aufzuklären, die erste, die außerhalb des Sonnensystems beobachtet wurde. Sie konnten sogar die Form dieses Magnetfelds deutlich genug erkennen, um daraus schließen zu können, dass es sich wahrscheinlich um ein Dipol-Magnetfeld wie das der Erde und des Jupiter handelt.

„Durch die Kombination von Radioschüsseln aus der ganzen Welt können wir unglaublich hochauflösende Bilder erstellen, um Dinge zu sehen, die noch nie jemand gesehen hat. Unser Bild ist vergleichbar mit dem Ablesen der obersten Reihe einer Sehtafel in Kalifornien, während wir in Washington, D.C. stehen.“ sagte Co-Autorin Professor Jackie Villadsen von der Bucknell University.

Kao und ihr Team hatten jedoch schon früh Hinweise darauf, dass sie einen Strahlungsgürtel um diesen Braunen Zwerg herum finden würden. Als das Team diese Beobachtungen im Jahr 2021 durchführte, hatten Radioastronomen bereits beobachtet, dass LSR J1835+3259 zwei Arten nachweisbarer Radioemissionen aussendete. Kao selbst gehörte zu einem Team, das sechs Jahre zuvor bestätigte, dass es sich bei der periodisch aufblitzenden Radioemission, ähnlich einem Leuchtturm, um ein Polarlicht im Radiofrequenzbereich handelte.

Aber auch LSR J1835+3259 hatte gleichmäßigere und schwächere Funkemissionen. Die Daten zeigten, dass diese schwächeren Emissionen nicht von Sternfackeln stammen können und tatsächlich den Strahlungsgürteln des Jupiters sehr ähnlich sind.

Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass ein solches Phänomen möglicherweise universeller ist als ursprünglich angenommen – es tritt nicht nur auf Planeten, sondern auch auf Braunen Zwergen, Sternen mit geringer Masse und möglicherweise sogar Sternen mit sehr hoher Masse auf.

Die Region um das Magnetfeld eines Planeten – die Magnetosphäre – einschließlich der der Erde kann die Atmosphäre und Oberflächen des Planeten vor Schäden durch solare und kosmische hochenergetische Teilchen schützen.

„Wenn wir über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten nachdenken, ist neben Dingen wie Atmosphäre und Klima auch die Rolle ihrer Magnetfelder bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Umgebung zu berücksichtigen“, sagte Kao.

Zusätzlich zum sichtbaren Strahlungsgürtel enthüllten ihre Untersuchungen den Unterschied in den „Formen“ und der räumlichen Lage eines Polarlichts (ähnlich dem Nordlicht der Erde) im Vergleich zu einem Strahlungsgürtel von einem Objekt außerhalb unseres Sonnensystems.

„Auroren können verwendet werden, um die Stärke des Magnetfelds zu messen, aber nicht die Form. Wir haben dieses Experiment entworfen, um eine Methode zur Beurteilung der Formen von Magnetfeldern auf Braunen Zwergen und schließlich Exoplaneten vorzustellen“, sagte Kao. „Eine Analogie besteht darin, dass Strahlungsgürtel wie die ‚Höfe‘ von Planeten sind, die in der Nachbarschaft unseres Sonnensystems leben, nur dass wir anstelle von Blumen energiereiche Teilchen haben, die in unterschiedlichen Wellenlängen und Helligkeiten leuchten.

„Die besonderen Eigenschaften jedes Strahlungsgürtels verraten uns etwas über die energetischen, magnetischen und Teilchenressourcen dieses Planeten: wie schnell er sich dreht, wie stark sein Magnetfeld ist, wie nah er an der Sonne lebt und ob er Monde hat, die mehr Teilchen liefern können.“ oder Ringe wie Saturns, die sie absorbieren, und mehr. Zum ersten Mal können wir sehen, welche „Yards“ Braune Zwerge und Sterne mit geringer Masse haben. Ich freue mich auf den Tag, an dem wir mehr darüber erfahren können die magnetosphärischen Höfe, die von Exoplaneten bewohnt werden.

Referenz: „Aufgelöste Bildgebung bestätigt einen Strahlungsgürtel um einen ultrakühlen Zwerg“ von Melodie M. Kao, Amy J. Mioduszewski, Jackie Villadsen und Evgenya L. Shkolnik, 15. Mai 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06138-w

This work is supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA und die Heising-Simons Foundation.

Das Team wurde von Melodie Kao geleitet, früher NASA Hubble Postdoctoral Fellow an der ASU und derzeit Heising-Simons 51 Pegasi b Fellow an der UC Santa Cruz, und besteht aus Amy Mioduszewski, außerordentlicher Wissenschaftlerin am National Radio Astronomy Observatory, und Professor Jackie Villadsen an der Bucknell University und Professor Evgenya Shkolnik an der ASU. Sie nutzten das Karl G. Jansky Very Large Array, das Very Long Baseline Array und das Robert C. Byrd Greenbank Telescope, das vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den Vereinigten Staaten verwaltet wird, sowie das Effelsberg-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Deutschland für das High Sensitivity Array.