Gibt es eine Verbindung zwischen den prächtigen Polarlichtern und dem Magnetfeld des Jupiters?

Neue Studie von Wissenschaftlern zeigt, dass Polarlichter die „Energiekrise“ des Jupiters verursachen

Wissenschaftler glauben, dass Polarlichter für die mysteriöse Erwärmung des Jupiters verantwortlich sein könnten (Quelle: J. O'Donoghue (JAXA)/Hubble/NASA/ESA/A. Simon/J. Schmidt)

Neue Beobachtungen legen nahe, dass die mysteriöse „Energiekrise“ des Jupiters, die Astronomen seit 50 Jahren vor Rätsel stellt, durch seine Polarlichter verursacht werden könnte.

Trotz seiner großen Entfernung von der Sonne ist der größte Planet unseres Sonnensystems für seine ungewöhnliche Hitze bekannt. Jupiter ist 5 Astronomische Einheiten oder 5 Erde-Sonne-Abstände (AE) entfernt (1 AE sind mehrere Millionen Meilen (150 Millionen Kilometer)).

Da hier nur sehr wenig Sonnenlicht eindringt, dürfte die obere Atmosphäre des Jupiters sehr kalt sein. Einer Erklärung der NASA zufolge schätzen Wissenschaftler, dass die Atmosphäre des Jupiters eine Temperatur von etwa -100 Grad Fahrenheit (-73 Grad Celsius) hat. In Wirklichkeit beträgt die Durchschnittstemperatur in der oberen Atmosphäre des Jupiters jedoch sengende 426 Grad Celsius – fast so heiß wie die Oberfläche des Höllenplaneten Venus.

Bild: NASAs Juno-Mission

Seit Jahrzehnten diskutieren Wissenschaftler über die Ursachen der sogenannten „Energiekrise“ auf dem Jupiter. Neue Forschungsergebnisse haben ergeben, dass die starken Polarlichter des Planeten, die durch ein starkes Magnetfeld verursacht werden, einen rasanten Temperaturanstieg auf ihm verursachen.

Polarlichter kommen im Sonnensystem häufig vor und treten auf Planeten mit starken Magnetfeldern auf, etwa der Erde und dem Jupiter. (Auch Mars und Venus haben ihre eigenen Polarlichter, aber auf diesen Planeten funktionieren die Lichter aufgrund der instabilen magnetischen Bedingungen in diesen Regionen anders.)

An Orten mit starken Magnetfeldern, wie etwa auf dem Jupiter und der Erde, entstehen Polarlichter, wenn geladene Teilchen vom Feld eingefangen werden und spiralförmig zu den Polen hinunterwandern. Auf ihrem Weg zu den Polen treffen diese Teilchen auf Atome und Moleküle in der Atmosphäre und erzeugen Licht.

Die Theorie der Erwärmung des Jupiters durch Polarlichter basiert teilweise auf neuen Beobachtungen der NASA-Raumsonde Juno. Juno bewegt sich derzeit in und aus intensiven Strahlungsfeldern, um Jupiter aus der Nähe zu studieren. Durch Junos Nähe zum Jupiter konnten Wissenschaftler die Erwärmung der Atmosphäre des Planeten in bisher unerreichter Detailliertheit verfolgen.

„Um eine Strandanalogie zu verwenden: Wenn die Thermosphäre Wasser ist, dann ist das von Juno kartierte Magnetfeld die Küstenlinie und die Polarlichter sind die Ozeane“, sagte der Hauptautor James O’Donoghue in einer Erklärung des Keck-Observatoriums. „Wir stellten fest, dass Wasser die Ozeane verließ und das Land überflutete, und Juno half uns dabei, den Verlauf der Küstenlinie zu ermitteln und so das Ausmaß der Überschwemmung zu verstehen.“

Das Forschungsteam nutzte Beobachtungsdaten von Juno und dem Hisaki-Satelliten, einem von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA entwickelten Satelliten zur spektroskopischen Planetenbeobachtung. Beide Satelliten verfolgen das Magnetfeld des Jupiters. Sie nutzten auch Daten des Keck-II-Teleskops, das hochauflösende Temperaturkarten lieferte. Durch die kombinierten Beobachtungen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie Polarlichter Hitzeimpulse in Richtung des Äquators des Jupiters aussenden. Langzeitbeobachtungen des Hisaki-Satelliten von 2013 bis heute verdeutlichen auch die Bedeutung des Sonnenwindes – des konstanten Partikelstroms, der von der Sonne ausgeht –, der sein eigenes Magnetfeld mit sich bringt und wahrscheinlich die beobachteten Polarlichter verstärkt.

„Wir haben großes Glück, dieses potenzielle Abkühlungsereignis erfasst zu haben“, sagte O’Donoghue, ein Planeten- und Weltraumforscher bei JAXA. „Hätten wir Jupiter in einer Nacht beobachtet, in der der Sonnenwinddruck nicht hoch war, hätten wir ihn verpasst.“

Mithilfe eines Nahinfrarotspektrometers untersuchte das Keck-Teleskop während zwei Beobachtungszeiträumen – April 2016 und Januar 2017 – die Wärmeentwicklung des Jupiters auf seinem Weg von den Polen zum Äquator. Das Keck-II-Teleskop verbesserte zudem seine Auflösung, indem es mehr Temperaturmessungen vornahm und nur diejenigen mit einem hohen Grad an Sicherheit einbezog. Die Arbeit dauerte viele Jahre, aber das Ergebnis war eine Temperaturkarte mit bis zu 10.000 einzelnen Datenpunkten, die hinsichtlich der Auflösung eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Versuchen darstellte.

Allerdings enthüllen die hochauflösenden Karten auch ein weiteres ungelöstes Temperaturrätsel.

„Wir haben außerdem weit entfernt vom Polarlicht eine seltsame, lokal begrenzte Erwärmungsregion entdeckt – einen langen Streifen, den wir noch nie zuvor gesehen hatten“, sagte Tom Stallard von der Universität Leicester und Co-Autor des Artikels in Kecks Stellungnahme.

Das Magnetfeld des Jupiters ist viel stärker als das der Erde. Der jupiternahe Vulkansatellit IO transportierte durch Vulkanausbrüche viel Materie zum Jupiter und viele Partikel gelangten in die Jupiteratmosphäre. Die enorme Größe des Jupiters und seine heftigen Stürme spielen auch eine Rolle dabei, wie die begrenzte Wärme der Polarlichter um den Planeten zirkuliert.

Obwohl es sich bei der Erwärmung durch Polarlichter nicht um eine neue Theorie handelt, ist es Wissenschaftlern erst jetzt gelungen, die Hypothese zu beweisen.

Bisherige Modelle zur Untersuchung der oberen Atmosphäre des Jupiters gingen davon aus, dass keine Polarlichtwinde in Richtung Äquator wehen würden. Stattdessen geht die Theorie davon aus, dass die Polarwinde durch die schnelle Rotation des Jupiters nach Westen gedrückt werden. Für eine Umdrehung benötigt Jupiter nur 10 Stunden und da es sich bei Jupiter um einen Gasriesen handelt, variiert die Umdrehungszeit in unterschiedlichen Breitengraden leicht. Neue Beobachtungen widerlegen bisherige Annahmen und legen nahe, dass die nach Westen gerichteten Polarlichtwinde schwächer sein könnten als die Äquatorwinde, die die Wärme von den Polarlichtern wegtransportieren.

VON: Elizabeth Howell

FY: TMON

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