Neue Modellrechnungen zeigen Einfluss der Helligkeit und magnetischen Aktivität des Sterns

Im Sternbild Jungfrau, 700 Lichtjahre von der Erde entfernt, umkreist der Planet WASP-39b den Stern WASP-39. Der Gasriese, der für eine Umrundung kaum mehr als vier Tage benötigt, ist einer der am besten untersuchten Exoplaneten. Kurz nach seiner Inbetriebnahme im Juli 2022 richtete das James Webb-Weltraumteleskop der NASA seinen hochpräzisen Blick auf den fernen Planeten.

Die Daten ergaben Hinweise auf große Mengen Wasserdampf, Methan und erstmals sogar Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Eine kleine Sensation, aber ein Wermutstropfen gibt es dennoch: Den Forschern ist es bisher nicht gelungen, alle entscheidenden Details der Beobachtungen in Modellrechnungen abzubilden. Dies steht einer noch genaueren Analyse der Daten im Weg.

In der neuen vom MPS geleiteten Studie zeigen die Autoren, darunter Forscher des Massachusetts Institute of Technology (USA), des Space Telescope Science Institute (USA), der Keele University (Großbritannien) und der Universität Heidelberg (Deutschland). eine Möglichkeit, dieses Hindernis zu überwinden.

„Die Probleme, die bei der Interpretation der Daten von WASP-39b auftreten, sind von vielen anderen Exoplaneten bekannt – unabhängig davon, ob sie mit Kepler, TESS, James Webb oder der zukünftigen Raumsonde PLATO beobachtet werden“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Nadiia Kostogryz, Erstautorin der neuen Studie. „Wie bei anderen Sternen, die von Exoplaneten umkreist werden, ist die beobachtete Lichtkurve von WASP-39 flacher, als frühere Modelle erklären können.“

Unter einer Lichtkurve verstehen Forscher ein Maß für die Helligkeit eines Sterns über einen längeren Zeitraum. Die Helligkeit eines Sterns schwankt beispielsweise ständig, da seine Leuchtkraft natürlichen Schwankungen unterliegt. Auch Exoplaneten können Spuren in der Lichtkurve hinterlassen. Wenn ein Exoplanet aus Sicht eines Beobachters vor seinem Stern vorbeizieht, schwächt er das Sternenlicht.

Dies spiegelt sich in der Lichtkurve als regelmäßig wiederkehrender Helligkeitsabfall wider. Präzise Auswertungen solcher Kurven geben Aufschluss über die Größe und Umlaufzeit des Planeten. Forscher können auch Informationen über die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre gewinnen, wenn das Licht des Sterns in seine verschiedenen Wellenlängen oder Farben aufgespalten wird.

Ein genauer Blick auf die Helligkeitsverteilung eines Sterns

Der Rand eines Sterns, der Rand der Sternscheibe, spielt bei der Interpretation seiner Lichtkurve eine entscheidende Rolle. Wie bei der Sonne erscheint der Rand dem Betrachter dunkler als der innere Bereich. Allerdings leuchtet der Stern weiter draußen nicht wirklich weniger hell. „Da der Stern eine Kugel ist und seine Oberfläche gekrümmt ist, blicken wir am Rand in höhere und damit kühlere Schichten als im Zentrum“, erklärt Co-Autor und MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon. „Dieser Bereich erscheint uns daher dunkler“, fügt er hinzu.

Es ist bekannt, dass die Randverdunkelung die genaue Form des Exoplanetensignals in der Lichtkurve beeinflusst: Die Verdunkelung bestimmt, wie steil die Helligkeit eines Sterns während eines Planetentransits abfällt und dann wieder ansteigt. Allerdings war es mit herkömmlichen Modellen der Sternatmosphäre nicht möglich, Beobachtungsdaten genau zu reproduzieren. Der Helligkeitsabfall verlief stets weniger abrupt, als die Modellrechnungen vermuten ließen.

„Es war klar, dass uns ein entscheidendes Puzzleteil fehlte, um das Signal der Exoplaneten genau zu verstehen“, sagt MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki, Co-Autor der aktuellen Studie.

Das Magnetfeld ist das fehlende Puzzleteil

Wie die heute veröffentlichten Berechnungen zeigen, ist das fehlende Puzzleteil das stellare Magnetfeld. Wie die Sonne erzeugen viele Sterne tief in ihrem Inneren durch enorme Ströme heißen Plasmas ein Magnetfeld. Erstmals konnten die Forscher nun das Magnetfeld in ihre Modelle zur Verdunkelung von Gliedmaßen einbeziehen.

Sie konnten zeigen, dass die Stärke des Magnetfelds einen wichtigen Einfluss hat: Bei Sternen mit einem schwachen Magnetfeld ist die Randverdunkelung ausgeprägt, bei solchen mit einem starken Magnetfeld ist sie schwächer.

Die Forscher konnten außerdem nachweisen, dass die Diskrepanz zwischen Beobachtungsdaten und Modellrechnungen verschwindet, wenn das Magnetfeld des Sterns in die Berechnungen einbezogen wird. Zu diesem Zweck griff das Team auf ausgewählte Daten des Kepler-Weltraumteleskops der NASA zurück, das von 2009 bis 2018 das Licht Abertausender Sterne einfing.

Im ersten Schritt modellierten die Wissenschaftler die Atmosphäre typischer Kepler-Sterne in Gegenwart eines Magnetfelds. Aus diesen Berechnungen generierten sie in einem zweiten Schritt dann „künstliche“ Beobachtungsdaten. Wie ein Vergleich mit den realen Daten zeigte, gelingt es durch die Einbeziehung des Magnetfelds, die Kepler-Daten erfolgreich zu reproduzieren.

Das Team erweiterte seine Überlegungen auch auf Daten des James Webb-Weltraumteleskops. Das Teleskop ist in der Lage, das Licht entfernter Sterne in seine verschiedenen Wellenlängen aufzuspalten und so nach charakteristischen Zeichen bestimmter Moleküle in der Atmosphäre der entdeckten Planeten zu suchen.

Wie sich herausstellt, beeinflusst das Magnetfeld des Muttersterns die Verdunkelung des Sternrandes bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich – und sollte daher bei zukünftigen Auswertungen berücksichtigt werden, um noch genauere Ergebnisse zu erzielen.

Vom Teleskop bis zum Modell

„In den letzten Jahrzehnten und Jahren bestand der Weg in der Exoplanetenforschung darin, die Hardware zu verbessern, die Weltraumteleskope, die für die Suche und Charakterisierung neuer Welten konzipiert sind. Das James Webb-Weltraumteleskop hat diese Entwicklung an neue Grenzen gebracht“, sagt Dr . Alexander Shapiro, Co-Autor der aktuellen Studie und Leiter einer Forschungsgruppe am MPS. „Der nächste Schritt besteht nun darin, die Modelle zur Interpretation dieser hervorragenden Daten zu verbessern und zu verfeinern“, fügt er hinzu.

Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, wollen die Forscher ihre Analysen nun auf Sterne ausweiten, die sich deutlich von der Sonne unterscheiden. Darüber hinaus bieten ihre Ergebnisse die Möglichkeit, aus den Lichtkurven von Sternen mit Exoplaneten Rückschlüsse auf die Stärke des Sternmagnetfeldes zu ziehen, die sonst oft schwer zu messen ist.

Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturastronomie.