Eine bahnbrechende Studie hat ergeben, dass kühle Sterne mit starken Magnetfeldern starke Sternwinde erzeugen – wichtige Informationen zur Beurteilung der Bewohnbarkeit exoplanetarer Systeme. Eine von Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) geleitete Studie hat mithilfe modernster numerischer Simulationen erstmals die Eigenschaften von Sternwinden in einer Stichprobe kalter Sterne systematisch beschrieben. Sie fanden heraus, dass Sterne mit stärkeren Magnetfeldern stärkere Winde erzeugen. Diese Winde schaffen ungünstige Bedingungen für das Überleben der Atmosphäre des Planeten und beeinträchtigen somit die Bewohnbarkeit dieser Systeme.
Die Sonne ist einer der am häufigsten vorkommenden Sterne im Universum und wird als „kalter Stern“ bezeichnet. Diese Sterne werden in vier Kategorien (F-, G-, K- und M-Typen) unterteilt, die sich in Größe, Temperatur und Helligkeit unterscheiden. Sterne, die heller und größer als die Sonne sind, gehören zur Kategorie F, während Sterne der Kategorie K etwas kleiner und kühler als die Sonne sind. Die kleinsten und schwächsten Sterne sind M-Sterne, auch „Rote Zwerge“ genannt, da das meiste Licht, das sie aussenden, rot ist.
Satellitenbeobachtungen haben ergeben, dass die Sonne zusätzlich zum Licht weiterhin einen Teilchenstrom ausstößt, der Sonnenwind genannt wird. Diese Winde bewegen sich durch den interplanetaren Raum und interagieren mit Planeten im Sonnensystem, einschließlich der Erde. Durch diese Wechselwirkung entstehen die wunderschönen Polarlichter in der Nähe des Nord- und Südpols. Allerdings können diese Winde auch schädlich sein, weil sie stabile Planetenatmosphären erodieren können, wie es auf dem Mars der Fall ist.
Während wir bereits viel über den Sonnenwind wissen – teilweise dank Missionen wie Solar Orbiter – gilt das Gleiche nicht für andere coole Sterne. Das Problem besteht darin, dass wir diese Sternwinde nicht direkt sehen können und daher nur ihre Wirkung auf das dünne Gas in den Hohlräumen zwischen den Sternen der Milchstraße untersuchen können. Allerdings weist diese Methode einige Einschränkungen auf und funktioniert nur für eine kleine Anzahl von Sternen. Dies hat zur Verwendung von Computersimulationen und -modellen geführt, um verschiedene Eigenschaften von Sternwinden vorherzusagen, ohne dass Astronomen sie beobachten.
In diesem Zusammenhang führten die Doktorandin Judy Chebly, der Wissenschaftler Dr. Julián D. Alvarado-Gómez und die Abteilungsleiterin Professorin Katja Poppenhäger von der Abteilung Stellarphysik und Exoplaneten des AIP in Zusammenarbeit mit Cecilia Garraffo von der Harvard University und dem Smithsonian Center for Astrophysics die erste systematische Untersuchung der erwarteten Sternwindeigenschaften von F-, G-, K- und M-Sternen durch.
Zu diesem Zweck führten sie numerische Simulationen mit einem der komplexesten derzeit verfügbaren Modelle durch, basierend auf der beobachteten großräumigen Magnetfeldverteilung von 21 Sternen. Die Simulationen wurden auf den Supercomputing-Einrichtungen des AIP und des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) durchgeführt.
Das Team untersuchte, wie sich die Eigenschaften eines Sterns wie Schwerkraft, Magnetfeldstärke und Rotationsperiode auf die Geschwindigkeits- oder Dichteeigenschaften des Windes auswirken. Die Ergebnisse umfassen eine umfassende Beschreibung der Sternwindeigenschaften verschiedener Spektraltypen. Eine davon zeigt die Notwendigkeit, frühere Annahmen über Sternwindgeschwindigkeiten zu überdenken, wenn relevante Massenverlustraten aus Beobachtungen geschätzt werden.
Darüber hinaus können die Simulationen die erwartete Größe der Alverwin-Oberfläche vorhersagen – der Grenze zwischen der Korona des Sterns und dem Sternwind. Diese Informationen werden von entscheidender Bedeutung sein, um festzustellen, ob Planetensysteme von starken Magnetar-Planet-Wechselwirkungen betroffen sind, die auftreten, wenn ein Planet die Alverwin-Oberfläche seines Muttersterns umkreist oder vollständig darin eingebettet wird.
Auswirkungen auf Planetensysteme
Ihre Ergebnisse zeigen, dass Sterne mit Magnetfeldern, die größer als die der Sonne sind, schnellere Winde haben. In manchen Fällen können Sternwindgeschwindigkeiten bis zu fünfmal schneller sein als die durchschnittliche Sonnenwindgeschwindigkeit, die typischerweise 450 Kilometer pro Sekunde beträgt. Bei der Untersuchung wurde ermittelt, wie schnell die Winde dieser Sterne in der sogenannten „habitablen Zone“ sind. Die „habitable Zone“ ist definiert als die Umlaufbahnentfernung, in der felsige Exoplaneten flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche halten könnten, wenn sie einen erdähnlichen Atmosphärendruck hätten. Sie fanden heraus, dass die Umgebung um Sterne vom Typ F und G relativ mild ist, vergleichbar mit der Umgebung auf der Erde um Sonnen vom Typ G, während die Windumgebung um Sterne vom Typ K und M zunehmend rauer ist. Dieser starke Sternwind hat einen starken Einfluss auf die Atmosphäre eines Planeten.
Dieses Phänomen ist in der Heliophysik zwischen Gesteinsplaneten und der Sonne gut dokumentiert, nicht jedoch in Exoplanetensystemen. Dies erfordert Schätzungen der Sternwinde, um Prozesse zu beurteilen, die denen ähneln, die wir zwischen dem Sonnenwind und der Planetenatmosphäre beobachten. Informationen über die Sternwinde der Hauptreihensterne F bis M waren bisher unbekannt, daher ist diese Studie im Hinblick auf die Bewohnbarkeit wichtig.
Die in diesem Artikel vorgestellten Arbeiten wurden an 21 Sternen durchgeführt, die Ergebnisse sind jedoch allgemein genug, um auf andere kalte Hauptreihensterne angewendet zu werden. Diese Untersuchung ebnet den Weg für zukünftige Studien zu Sternwindbeobachtungen und ihren Auswirkungen auf die Erosion der Planetenatmosphäre.
Referenz: „Numerical Quantification of Cold Main Sequence Stellar Wind Properties“, Autor: Judy J Chebly, Julián D Alvarado-Gómez, Katja Poppenhäger und Cecilia Garraffo, 19. Juli 2023, „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.
DOI:10.1093/mnras/stad2100
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily