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Magnetfelder: Energie regelt Feldstärke rotierender Himmelskörper

Stabmagnet Sonne
Die Magnetfeldstärke von schnell rotierenden Himmelskörpern hängt von der Energiemenge ab, die sie ins Weltall abgeben, glauben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung. Sie widersprechen damit bislang gängigen Hypothesen über die Magnetfelder von sich schnell drehenden Sternen und Planeten.

Magnetfeld von rotierenden Himmelskörpern | 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.
Computersimulationen von Ulrich Christensen und seinen Kollegenzeigen nun, das über die Magnetfelder aller schnell rotierenden Himmelskörper die Energiemenge, die der Körper ins Weltall abstrahlt, und seine Dichte entscheiden. Bisher hatten Wissenschaftler vermutet, dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Planeten oder eines Sterns die Stärke seines Magnetfeldes über einen Dynamoeffekt bestimmt. Magnetfelder entstehen im heißen Innern der Himmelskörper, wo flüssiges oder gasförmiges Material in einer Art Kreislauf nach oben steigt, abkühlt und wieder absinkt. 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.

Dieser Zusammenhang gilt aber nicht für schnell rotierende Körper wie die Erde, den Jupiter und die meisten Sterne mit deutlich geringerer Masse als die der Sonne, wie Beobachtungen bestätigen: 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.

Stattdessen hängt die Magnetfeldstärke eines Himmelskörpers hauptsächlich von der Energiemenge ab, die er in Form von Licht und Wärmestrahlung ins Weltall abgibt, belegt das Computermodell von Christensen und Co. 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", so Christensen.

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. Neue Anlagen wie das Antennenfeld LOFAR werden empfindlich genug sein, diese Wellen zu messen – und damit dann auch neue Planeten dieser Art zu entdecken.

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  • Quellen
Christensen, U.R. et al.: Energy flux controls the magnetic field strength of planets and stars. In: Nature 457, S. 167–169, 2009.

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