Charakterisierung der stellaren und Exoplanetenumgebung durch Ly-alpha Modellierung

Während der vergangenen Jahre wurden von verschiedenen Satelliten energetische neutrale Wasserstoffatome (ENAs) in der nahen Umgebung von Planeten, Monde und Kometen beobachtet. Da ENAs immer dann produziert werden wenn ein geladenes Sonnenwind- oder Sternwindteilchen mit einem Neutralgasteilchen seine Ladung austauscht, eignen sich Beobachtungen und die Modellierung dieser Prozesse sehr gut zum Studium der Atmosphärenwechselwirkung mit dem Sonnenwindplasma. Da die oberen Atmosphären von Sternnahen wasserstoffreichen Exoplaneten durch hohe stellare EUV-Flüsse sehr stark aufgeheizt werden, kann das planetare Gas hydrodynamisch bis zur Rochegrenze und sogar über eine planetare Magnetopause hinaus expandieren und mit dem dichten Sternwindplasma wechselwirken. Aus diesem Grund kann man davon ausgehen, dass die extreme Plasmawechselwirkung des nahen Sterns mit der expandierenden oberen Neutralgasatmosphäre des Exoplaneten durch Ladungsaustausch große ENA-Wasserstoffwolken erzeugt. Diese Wasserstoffwolken werden dann vom starken Strahlungsdruck deformiert. Außer diesen beiden Prozessen kann bei heißen dichten oberen Atmosphären Doppler Broadening das Spektrum beeinflussen. Mit Hilfe eines 3D Magnetohydrodynamik (MHD) und einem 3D Direct Simulation Monte Carlo Modell (DSMC) wird die Produktion und Topologie von ENAs heiße Jupiter studiert, um Antworten auf die folgenden offenen Fragen zu finden: i) der Einfluss von kurzzeitigen Variationen in der Sternwind/CME Dichte und Geschwindigkeit zur Struktur der oberen Atmosphäre von heißen Jupiter, ii) die Wechselwirkung der hydrodynamisch expandierenden Neutralgasatmosphäre mit dem Ionenausfluss; iii) der Einfluss von planetaren Hindernissen und Form, welche von einem inneren Magnetfeld, von einem induzierten Magnetfeld, einer Kombination beider, oder von einer Ionopause gebildet werden, auf die Produktion von ENA-Wasserstoffwolken; iv) den Einfluss von nicht-thermisch erzeugten heißen planetaren Wasserstoffatomen zur ENA-Wolken Topologie und schließlich v) das Studium über die Effektivität von nicht-thermischer Ionenflucht, welche durch Ladungsaustausch, Photoionisation und Elektron-Impaktionisation in der Wechselwirkung zwischen dem Sternwind und der oberen Atmosphäre hervorgerufen werden. Dieser Punkt ist sehr wichtig damit man den totalen Massenverlust, sowie die Stabilität von Atmosphären über die Lebenszeit eines heißen Jupiters und dessen Einfluss auf die anfängliche Massenverteilungsfunktion von Exoplaneten studieren kann. Es werden auch Studien über die Effekte des Strahlungsdrucks und Doppler Broadening in Bezug auf Beobachtungsmöglichkeiten der modellierten Wechselwirkungsszenarien mit verfügbaren oder zukünftigen Weltraumteleskopen im UV (HST, WSO-UV) durchgeführt. Die Sternwind-Aktivitätsparameterstudien im Zusammenhang mit Lyman-a Absorptionsspektren sind auch wichtige Vorarbeiten für zukünftig geplante Weltraumprojekte (WSO-UV, CHEOPS, TESS und PLATO). Bei bekanntem Sternalter lassen sich Magentfeldevolutionshypothesen von heißen Gasriesen oder die Evolution des Sternwindes (Sonnenwindes) mittels ENA-Beobachtungen und Modellierungen studieren. Solche Studien und Beobachtungen sind von großer Wichtigkeit für Forschungen welche sich mit der Evolution der Planetenatmosphären im Sonnensystems und Planetologie im Allgemeinen beschäftigen.

Da die oberen Atmosphären von heißen, wasserstoffreichen Exoplaneten durch hohe, extrem kurzwellige ultraviolette Strahlung sehr stark aufgeheizt werden, kann das planetare Gas bis über eine planetare Magnetopause hinaus hydrodynamisch expandieren und dort mit geladenen Sternwindteilchen wechselwirken. Aus diesem Grund sehen wasserstoffreiche Exoplaneten, die nahe um ihren Stern kreisen, ähnlich aus wie Kometen, sodass sich durch den Strahlungsdruck deformierte Wasserstoff-Halos bilden. Durch Anwendung eines dreidimensionalen Magnetohydrodynamik-Codes und eines dreidimensionalen Monte Carlo Teilchen-Codes wurde die Produktion und Topologie von Wasserstoffteilchen in den hohen Atmosphären und der Umgebung von heißen Jupitern studiert. Ein wichtiges Ergebnis der Studien ist, dass man induzierte Magnetfelder, die sich beim Umströmen der Planeten durch geladene Sternwindteilchen bilden, nicht ignorieren kann, wenn man Teleskop- Beobachtungen von expandierenden Wasserstoffatmosphären bei heißen Exoplaneten reproduzieren möchte. Diese induzierten Magnetfelder können das Druckgleichgewicht zwischen der entfliehenden Wasserstoffatmosphäre und dem anströmenden Sternwind wesentlich beeinflussen. Dadurch wurde herausgefunden, dass HD 209458b sehr wahrscheinlich ein intrinsisches magnetisches Moment besitzt, das ca. 10-20% desjenigen von Jupiter ausmacht. Stärkere oder schwächere intrinsische Magnetfelder konnten die vom Hubble Weltraumteleskop beobachteten, Lyman-a absorbierenden Wasserstoff-Halos während der Transits nicht reproduzieren. Im Falle des heißen Jupiters HD 189733b hat sich eine andere Situation ergeben. Hier konnte aufgezeigt werden, dass typische Sternwind-Bedingungen und ein induziertes Magnetfeld alleine die beobachtete Lyman-a Absorption reproduzieren kann. Simulationen von kurzzeitigen stellaren Phänomenen wie Flares und CMEs ergaben keine signifikant unterschiedliche Absorption in Lyman-a Transitbeobachtungen. Studien zum Einfluss von Sternwind- und stellaren Aktivitätsparametern auf Lyman-a Absorptionsspektren sind wichtige Vorarbeiten für zukünftig geplante Weltraumprojekte (WSO-UV, CHEOPS, TESS und PLATO). Es wurde aufgezeigt, dass man durch Anwendung magnetohydrodynamischer Modelle Magnetfelder von heißen Gasriesen und/oder Parameter der Sternwinde mittels UV-Beobachtungen studieren kann. Unter Anwendung der entwickelten Modelle und der resultierenden Strukturen der hohen Atmosphären der zuvor erwähnten Planeten wurde auch entdeckt, dass die ionisierten Wasserstoffkomponenten in den dynamisch entfliehenden Wasserstoffatmosphären der beiden heißen Jupiter die Ausbreitung von planetarer Radiostrahlung verhindern, und dass dies ein Grund sein könnte, wieso man trotz intensiver Suche mit Radioteleskopen bisher noch keine Radiostrahlung von Exoplaneten entdeckt hat.