Wie stark ist das Magnetfeld bei Himmelskörpern?

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Die Magnetfeldstärke von schnell rotierenden Planeten und Sternen hängt anders als bisher gedacht von der Energiemenge ab, die sie ins Weltall abgeben

Nicht nur die Erde, sondern auch andere Planeten, die Sonne und viele Sterne besitzen ein eigenes Magnetfeld. Die Stärke dieser Felder unterscheidet sich erheblich: Während das Magnetfeld des Jupiters zehnmal so stark ist wie das der Erde, übertrifft das Magnetfeld mancher Sterne diesen Wert um mehr als das Tausendfache. Eine Erklärung für diese Unterschiede fehlte bisher. Zudem gab es unterschiedliche Theorien für Planeten und Sterne. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und der Universität Göttingen haben nun eine Theorie vorgeschlagen, die für alle schnell rotierenden Himmelskörper gilt. Demnach sind die Energiemenge, die der Körper ins Weltall abstrahlt, und seine Dichte entscheidend.

Obwohl das Innere schnell rotierender Sterne, des Jupiters und der Erde (von li.) sehr verschieden aufgebaut ist, erzeugen all diese Himmelskörper ein Magnetfeld, das dem eines Stabmagneten gleicht. Die Stärke des Magnetfeldes ist jedoch sehr verschieden.
Bild: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung /U. Christensen
Magnetfelder spielen im Weltall eine wichtige Rolle: An der Oberfläche der Sonne tragen sie zum Entstehen der heftigen Sonneneruptionen bei, die geladene Teilchen ins All schleudern. Das Magnetfeld der Erde hingegen bietet einen effektiven Schutz vor diesem Beschuss. Doch ganz gleich ob Stern oder Planet - die Magnetfelder selbst entstehen tief im heißen Innern der Himmelskörper. Dort steigt flüssiges oder gasförmiges Material in einer Art Kreislauf nach oben, kühlt sich ab und sinkt wieder in die Tiefe. Da dieses Material zusätzlich elektrischen Strom leiten kann, erzeugt die Bewegung der Ladungsträger ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo ein Magnetfeld. Die schnelle Rotation der Planeten und Sterne verleiht den gewaltigen Materialströmen zudem eine Form, die das Dynamoprinzip begünstigt.

Bisher glaubten Wissenschaftler deshalb, dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Planeten oder eines Sterns die Stärke seines Magnetfeldes bestimmt. Doch Beobachtungen anderer Sterne und Computersimulationen planetarer Dynamos haben gezeigt, dass dieser Zusammenhang nicht für schnell rotierende Körper wie die Erde, den Jupiter und die meisten Sterne mit deutlich geringerer Masse als die der Sonne gilt. Die Stärke des Magnetfeldes steigt ab einer gewissen Rotationsgeschwindigkeit nicht mehr in Abhängigkeit von dieser an. Je nach Himmelskörper liegt die kritische Geschwindigkeit bei einer Umdrehung pro Tag oder einer Umdrehung im Laufe mehrerer Tage.

Wissenschaftler aus Katlenburg-Lindau und Göttingen haben nun aus Computersimulationen eine neue Gesetzmäßigkeit abgeleitet. Demnach hängt die Magnetfeldstärke eines Himmelskörpers hauptsächlich von der Energiemenge ab, die er in Form von Licht und Wärmestrahlung ins Weltall abgibt. Denn ein Teil dieses Energieflusses steht im Innern des Himmelskörpers zur Verfügung, um elektrische Ströme und somit das Magnetfeld zu erzeugen. Die Forscher konnten die neue Regel erstmals auch auf Sterne anwenden, deren Dichte sich anders als bei Planeten stark mit zunehmender Tiefe ändert.

Mit Beobachtungsdaten von Erde, Jupiter und 35 schnell rotierenden Sternen mit bekannter Magnetfeldstärke stimmt die neue Theorie gut überein. "Zudem legen unsere Ergebnisse nahe, dass der Dynamoprozess in Planeten und Sternen nicht so verschieden ist wie bisher angenommen", sagt Ulrich Christensen am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Die neuen Ergebnisse erlauben es zudem, die Stärke des Magnetfeldes von Himmelskörpern vorherzusagen, bei denen sich dieses bisher nicht nachweisen ließ. Manche Sterne etwa werden von Planeten umkreist, die deutlich größer sind als Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems. Für solche Planetenriesen sagen die Forscher ein Magnetfeld voraus, das zehnmal so stark ist wie das des Jupiters. Nach Ansicht der Wissenschaftler müssten diese Kolosse intensive Radiowellen aussenden. Zwar sind bisherige Antennen nicht empfindlich genug, um diese nachzuweisen. Doch neue Anlagen wie das Antennenfeld LOFAR, das aus Stationen in den Niederlanden, Frankreich, Deutschland, Schweden und England bestehen soll und in den nächsten Jahren in Betrieb geht, könnten die Wellen messen. Auf diese Weise ließen sich dann die Magnetfelder bestimmen - und darüber hinaus neue Planeten dieser Art entdecken.


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Originalveröffentlichung
U.R. Christensen, V. Holzwarth, A. Reiners

Energy flux controls the magnetic field strength of planets and stars

Nature, 8. Januar 2009

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Gesellschaft