Weltraumforschung - Rätsel der Jupiter-Polarlichter endlich gelöst

Polarlichter gibt es nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum. Die des Planeten Jupiter sind so energiereich, dass ihre Radiowellen sogar bis zur Erde reichen. Entdeckt wurden sie erstmals im Jahr 1979 von der Nasa-Raumsonde Voyager 1. Seither ist unklar, wie sie zustande kommen. Eine Erklärung präsentieren nun Forschende um Zhonghua Yao von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften im Fachjournal «Science Advances».

Die Lösung des Rätsels war gar nicht so einfach. Denn um den Prozess zu entschlüsseln, muss man das Magnetfeld vor Ort messen und gleichzeitig die Aurora-Strahlung einfangen. Dem Team aus China ist dies nun gelungen: Als am 16. und 17. Juli 2017 eine Aurora über dem Jupiter-Nordpol leuchtete, beobachteten sie diese 26 Stunden lang mit dem europäischen XMM-Newton-Röntgenteleskop. Zur gleichen Zeit bewegte sich die Nasa-Raumsonde Juno zwischen 62 und 68 Jupiterradien über den Bereichen des Planeten vor der Morgendämmerung und lieferte Messdaten zu unter anderem der Plasmadichte, der Magnetfeldstärke und -ausrichtung. Juno untersucht seit dem Jahr 2016 den Gasplaneten.

Anschliessend kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Daten. Dabei zeigte sich, dass die pulsierenden Röntgen-Aurore durch Schwankungen im Magnetfeld des Jupiters verursacht werden: Wenn der Planet rotiert, zieht er sein Magnetfeld mit sich herum. Das Magnetfeld wird direkt von den Teilchen des Sonnenwindes getroffen und komprimiert. Dadurch erhitzen sich die Teilchen, die im Magnetfeld des Jupiters gefangen sind, wodurch ein Phänomen namens EMIC-Welle ausgelöst wird. EMIC steht für «Electromagnetic Ion Cyclotron» und beschreibt damit, wie Plasmawellen über unserer Erde von geladenen Teilchen (Ionen) erzeugt werden. Partikel werden durch Wellen gestreut und rasen entlang von Magnetfeldlinien in Richtung Atmosphäre.

Bei den Teilchen selbst handelt es sich um elektrisch geladene Atome, sogenannte Ionen. Geführt durch das Feld «surfen» diese auf der EMIC-Welle über Millionen von Kilometern im Weltraum, um schliesslich in die Atmosphäre des Planeten einzuschlagen und das Röntgenlicht auszulösen.

Damit haben Astronomen erstmals die ganze Kette der Ereignisse mitverfolgt, die hinter dem pulsierende Polarlicht des Jupiters steckt: «In den Juno-Daten sehen wir diese ganze Abfolge der Ereignisse: Wir sehen die Kompression des Magnetfelds, wir sehen, wie die EMIC-Welle entsteht, wir sehen die Ionen und den Ionenpuls, der entlang der Magnetfeldlinie rast», zitiert die Europäische Weltraumorganisation ESA Yaos Co-Autor William Dunn vom University College London.

Die neuen Ergebnisse könnten für das Verständnis der Polarlichter auf anderen Planeten relevant sein. «Dies ist ein fundamentaler Prozess, der auch auf Saturn, Uranus, Neptun und wahrscheinlich auch Exoplaneten vorkommen kann», so Yao. Unterschiede gibt es dabei primär in der Sorte der Ionen, die durch solche EMIC-Wellen bewegt werden: Beim Jupiter sind es Sauerstoff und Schwefel, beim Saturn vor allem ionisiertes Wasser vom Saturnmond Enceladus. Beim Mars und der Erde könnte dieser Mechanismus für die seltenen Protonen-Auroren verantwortlich sein. Laut Dunn ist es vorstellbar, dass die EMIC-Wellen im Kosmos generell eine wichtige Rolle dabei spielen, wenn es darum geht, Energie umzuverteilen.