(Main) Uranus, wie von Hubble gesehen, mit hinzugefügten Polarlichtern und rot markiert (Inset) die Polarlichter des Saturn, gesehen vom JWST(Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Tiscareno (SETI Institute), M. Hedman (University of Idaho), M. El Moutamid (Cornell University), M. Showalter (SETI Institute), L. Fletcher (University of Leicester), H. Hammel (AURA); Bildbearbeitung durch J. DePasquale (STScI)).
Das James Webb Space Telescope (JWST) soll die spektakulären Lichtspiele der Sonnensystemriesen Uranus und Saturn untersuchen.
Zwei getrennte Teams von Astronomen der Universität Leicester werden das 10-Milliarden-Dollar-Weltraumteleskop nutzen, um Polarlichter über dem Gasriesen Saturn und dem eiskalten Eisriesen Uranus zu untersuchen. Ziel ist es, die Prozesse, die diese polaren Lichtspiele über verschiedenen Planeten erzeugen, genauer zu erklären.
„Das JWST verändert bereits die Art und Weise, wie wir das Universum wahrnehmen, vom Sonnensystem, unserem eigenen kosmischen Hinterhof, bis hin zu den ersten Galaxien, die sich am Anfang der Zeit gebildet haben“, sagte Henrik Melin von der University of Leicester School of Physics and Astronomy, der die Uranus-Untersuchung leiten wird, in einer Erklärung. „Ich bin begeistert, dass ich Zeit für dieses bemerkenswerte Observatorium bekommen habe, und diese Daten werden unser Verständnis von Saturn und Uranus grundlegend verändern.“
Auroras sind den Himmelsbeobachtern auf der Erde als die atemberaubenden Nord- und Südlichter bekannt, die bei ihrem Erscheinen entlang der Pole unseres Planeten zu sehen sind.
Diese Lichtspiele werden über der Erde erzeugt, wenn geladene Teilchen, die aus dem Sonnenwind strömen, auf das schützende Magnetfeld unseres Planeten, die Magnetosphäre, treffen. Diese Teilchen bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien und strömen hinter der Erde heraus – dabei interagieren sie jedoch mit Teilchen in unserer Atmosphäre und erzeugen ein leuchtendes Licht.
Wenn die Sonne in so genannten koronalen Massenauswürfen große Mengen stellaren Plasmas ausstößt, sind die Polarlichter auffälliger und können in niedrigeren Breiten über der Erde gesehen werden.
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Obwohl Polarlichter bereits über anderen Planeten des Sonnensystems beobachtet wurden und sie um jeden Planeten mit einer Atmosphäre und einem Magnetfeld möglich sein sollten, ist über diese außerirdischen Lichtspiele weniger bekannt.
Das nördliche Polarlicht erhellt den Himmel über dem Finnischen Meerbusen. (Bildnachweis: Shutterstock)
Über die Polarlichter des Uranus, eines Eisriesen mit einer Atmosphäre aus Wasser, Ammoniak und Methan, ist derzeit noch relativ wenig bekannt.
Erst im vergangenen Jahr hat ein Forscherteam der University of Leicester School of Physics and Astronomy unter der Leitung der Doktorandin Emma Thomas nach drei Jahrzehnten der Erforschung eine Infrarot-Aurora um den Uranus bestätigt.
Aufgrund eines früheren Zusammenstoßes mit einem etwa erdgroßen Körper ist Uranus in einem Winkel von 97,77 Grad geneigt. Das bedeutet, dass seine Pole fast direkt auf die Sonne zu- und von ihr weggerichtet sind, und seine Polarlichter befinden sich in der Nähe des Äquators, der für einen Planeten des Sonnensystems normal wäre.
Melin und seine Kollegen werden mit dem JWST die Polarlichter des Uranus, des siebten Planeten von der Sonne, beobachten und dabei etwas untersuchen, was diese frühere Entdeckung der Polarlichter des Uranus nahelegt: Sind die Polarlichter dieses fernen Planeten dafür verantwortlich, dass es dort wärmer ist als erwartet?
„Die Temperatur aller Gasriesenplaneten, einschließlich Uranus, liegt Hunderte von Grad Kelvin/Celsius über dem, was die Modelle vorhersagen, wenn sie nur von der Sonne erwärmt werden, was uns vor die große Frage stellt, warum diese Planeten so viel heißer sind als erwartet“, sagte Thomas letztes Jahr. „Eine Theorie besagt, dass die energiereiche Aurora die Ursache dafür ist, die Wärme von der Aurora erzeugt und zum magnetischen Äquator hinunter drückt.“
Eine künstlerische Darstellung der neu entdeckten Infrarot-Aurora, überlagert von einer Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops vom Uranus (Bildnachweis: NASA/ESA/M. Showalter (SETI Institute))
Die JWST-Untersuchung des Uranus wird Anfang 2025 beginnen; sie wird Bilder des Eisriesen über einen einzigen Tag des Planeten aufnehmen, der etwa 17 Erdstunden dauert. Dies sollte es dem Team ermöglichen, Polarlichtemissionen über eine ganze Umdrehung des Magnetfelds von Uranus zu kartieren.
Die Wissenschaftler wollen auch herausfinden, ob die Emissionen entstehen, wenn das Magnetfeld des Uranus mit dem Sonnenwind interagiert, wie es auf der Erde der Fall ist, oder ob die interagierenden geladenen Teilchen aus Quellen innerhalb des Systems stammen, ähnlich wie beim Jupiter, der seine Polarlichter erzeugt. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Polarlichter des Uranus durch eine Kombination dieser Phänomene entstehen, so wie auch die Polarlichter des Saturn erzeugt zu werden scheinen.
Saturn, gesehen vom NIRCam-Instrument des JWST (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Matthew Tiscareno (SETI Institute), Matthew Hedman (University of Idaho), Maryame El Moutamid (Cornell University), Mark Showalter (SETI Institute), Leigh Fletcher (University of Leicester), Heidi Hammel (AURA))
Das JWST Saturn Aurora Projekt, unter der Leitung des Wissenschaftlers Luke Moore vom Boston University Center for Space Physics, wird die nördliche Auroraregion des Gasriesen während eines ganzen 10,6-stündigen Saturntages beobachten. So kann das Team beobachten, wie sich die Temperatur dieser Region mit der Rotation des Gasriesen verändert.
Durch die erstmalige Aufdeckung der atmosphärischen Polarlicht-Energien des Saturn hofft das Team, mehr über die Quellen der geladenen Teilchen in der Atmosphäre des Gasriesen zu erfahren, die seine Polarlichter antreiben.
Die beiden JWST-Riesenplanetenstudien werden mit der hochempfindlichen Nahinfrarotkamera (NIRCam) des leistungsstarken Weltraumteleskops durchgeführt.
Wenn diese Ergebnisse vorliegen, können Wissenschaftler die Prozesse, die Polarlichter im Sonnensystem erzeugen, und die Rolle, die diese Mechanismen insbesondere auf der Erde spielen, besser verstehen. Vielleicht können die Ergebnisse den Astronomen auch helfen, Informationen über Polarlichter um Planeten außerhalb unseres Systems zu sammeln: Extrasolare Planeten, oder „Exoplaneten“.
„Die Mehrzahl der bisher entdeckten Exoplaneten fällt in die Sub-Neptun-Kategorie und ist somit von der Größe her Neptun und Uranus ähnlich. Dies kann auch ähnliche magnetische und atmosphärische Eigenschaften bedeuten“, sagte Thomas. „Durch die Analyse der Aurora des Uranus, die in direktem Zusammenhang mit dem Magnetfeld und der Atmosphäre des Planeten steht, können wir Vorhersagen über die Atmosphären und Magnetfelder dieser Welten und damit über ihre Eignung für Leben machen.“
