Eine Verfeinerung eines Weltraumwettermodells, das von einem Zentrumsdirektor an der University of Alabama in Huntsville (UAH) entwickelt wurde, könnte Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, auf welchen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems wahrscheinlich jemand zu Hause ist.
Exoplaneten werden Planeten genannt, wenn sie Sterne außerhalb unseres eigenen Sonnensystems umkreisen, und die Bemühungen, diejenigen auszusondern, die Leben beherbergen könnten, wurden intensiviert.
Jetzt am Center for Space Plasma and Aeronomic Research (CSPAR) an der UAH, einem Teil des University of Alabama Systems, haben Forschungen von Dr. Junxiang Hu zusammen mit Mitarbeitern ein Modell zur Verfolgung stellarer energetischer Teilchen entwickelt, die die Entstehung von Leben beeinflussen können auf Exoplaneten. Diese energiereichen Sternteilchen sind zu weit entfernt, um direkt gemessen zu werden, daher müssen sie aus Fernerkundungsdaten modelliert werden.
„Die mit Superflares von jungen sonnenähnlichen Sternen assoziierten energiereichen Teilchen werden die atmosphärische Chemie ihrer nahen Exoplaneten beeinflussen und möglicherweise präbiotische Chemikalien erzeugen, die Leben auslösen könnten“, sagt Dr. Hu. „Die Charakterisierung dieser Auswirkungen kann wichtig sein, um chemische Signaturen der Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu bewerten.“
Bei der früheren Modellierung wurden empirische Ansätze verwendet, aber die neue Forschung wendet die Physik auf das Unterfangen an. Es identifiziert bewohnbare Exoplaneten nicht direkt, sagt Dr. Hu, aber es kann diese Suche unterstützen.
„Diese Arbeit legt den Grundstein für eine Reihe zukünftiger multidisziplinärer Forschungsprojekte, die sich dem Verständnis des Ursprungs des Lebens widmen“, sagt er.
Dr. Hu verfeinerte das Particle Acceleration and Transport in the Heliosphere (PATH)-Modell, das ursprünglich 2001 von Dr. Gary Zank entwickelt wurde, der seit 2008 CSPAR-Direktor ist. Dieses frühere Modell konzentrierte sich darauf, die richtigen physikalischen Mechanismen zur Modellierung von Teilchenbeschleunigung und -transport einzusetzen, und dann wurde Dr. Zanks Arbeit im Laufe der Jahre von Dr. Gang Li und anderen Forschern der UAH weiter ausgebaut.
„Große Sonneneruptionen sind normalerweise mit koronalen Massenauswürfen (CMEs) verbunden“, sagt Dr. Hu. „PATH ist ein getestetes Modell, das ziemlich gut für solarenergetische Teilchenereignisse funktioniert, und in dieser Arbeit erweitern wir es auf stellare Ereignisse mit einigen extrem schnellen CMEs.“
Die neue Arbeit mit dem Namen Improved Particle Acceleration and Transport in the Heliosphere (iPATH)-Modell verwendet einen physikalisch basierten Ansatz, um die Energiespektren von energiereichen Teilchen zu bewerten, die in stellaren Superflares emittiert werden. Dr. Hu begann mit dem Modell im Jahr 2015 als seine Doktorarbeit.
Dr. Zank sagt, dass die Forschung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt.
„In dieser Arbeit dreht sich alles um das Weltraumwetter in der Nähe von Exoplaneten, ein sehr heißes Thema, und wir haben die weltweit wichtigsten Modelle dafür, die alle im Zusammenhang mit der Untersuchung sogenannter gradueller solarenergetischer Teilchenereignisse im Zusammenhang entwickelt wurden des Weltraumwetters“, sagt Dr. Zank. „Es ist also eine interessante Migration der Weltraumphysik und der Weltraumwetterarbeit zum Verständnis der Bewohnbarkeit im Kontext von Exoplaneten und ihrem Weltraumwetter.“
Bei der Entwicklung des neuen Modells arbeitete Dr. Hu mit Dr. Li und Dr. Zank zusammen. Er arbeitete mit Dr. Vladimir Airapetian von der Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) des NASA Goddard Space Flight Center und Dr. Meng Jin vom SETI Institute zusammen.
Die iPATH-Modellierung zeigt, dass frühere empirische Ergebnisse Teilchenströme, die Exoplaneten mit sehr hohen Energien treffen, stark unterschätzen könnten, sagt Dr. Hu, so dass extreme Superflares von anderen Sternen einen viel stärkeren Einfluss auf Exoplaneten haben könnten als bisher angenommen.
„Die Fluenz und der Fluss der energetischen Teilchen, die unser Modell ausgibt, können einen wertvollen Beitrag für die nachfolgende atmosphärische Modellierung von Exoplaneten in zukünftigen Arbeiten liefern“, sagt Dr. Hu.
Die neue Forschung dient als Machbarkeitsnachweis dafür, dass das Modell in anderen Sternen-Planeten-Systemen außerhalb des Sonnensystems funktionieren kann, sodass die Wissenschaftler keine bestimmten Exoplaneten als Modell für dieses Unterfangen ausgewählt haben.
„In zukünftigen Arbeiten werden wir felsige Exoplaneten in der Nähe von magnetisch aktiven G-, K- und M-Zwergen auswählen. Mit anderen Worten, wir werden Exoplaneten auswählen, die der frühen Erde für Fallstudien ähneln“, sagt Dr. Hu.
„Wir arbeiten jetzt eng mit der NASA zusammen, um das Betriebsmodell mit Unterstützung des Community Coordinated Modeling Center der NASA und der Space Radiation Analysis Group der NASA öffentlich zugänglich zu machen.“
Junxiang Hu et al, Extrem energetische Teilchenereignisse durch Superflare-assoziierte CMEs von sonnenähnlichen Sternen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi9743