EXTRASOLARE PLANETEN
Magnetfeld des Zentralsterns wichtig für die Interpretation von Beobachtungen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung
astronews.com
22. April 2024

Um Beobachtungen extrasolarer Planeten mit modernen Teleskopen korrekt auswerten zu können, muss das Magnetfeld des jeweiligen Zentralsterns berücksichtigt werden. Dies zeigten jetzt neue Modellrechnungen, die sich mit dem Einfluss von stellaren Magnetfeldern auf die beobachtete Randverdunkelung eines Sterns befassen. 

Die Randverdunkelung von Sternen ist ein bekanntes Phänomen. Auch die Sonne erscheint an ihrem Rand deutlich dunkler als in der Mitte. Foto: NASA [Großansicht]

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 Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen geleitete Team, zu dem auch Forschende des Massachusetts Institute of Technology, des Space Telescope Science Institute, der Universität Keele 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. "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.

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 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 MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki.

Wie die jetzt 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 Forscherinnen und Forscher 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 Forschenden 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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.

"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, 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 Forscherinnen und Forscher 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.

Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.