Webb hat erstmals einen „vertikalen Querschnitt“ der Ionosphäre des Uranus aufgenommen: Eine 3D-Karte zeigt, wo Polarlichter entstehen und warum der Planet weiter abkühlt
Wissenschaftler haben erstmals eine detaillierte Karte der Schichten der oberen Atmosphäre des Uranus erstellt – nicht nur „über die Oberfläche“, sondern auch in der Höhe: von den Wolkenobergrenzen bis zu Tausenden Kilometern darüber. Die Beobachtungen wurden mit dem Weltraumteleskop James Webb durchgeführt, dessen Empfindlichkeit den Nachweis eines extrem schwachen Leuchtens von Molekülen hoch über den Wolken ermöglichte – dort, wo die Atmosphäre in die Ionosphäre übergeht und sich direkt mit dem ungewöhnlichen Magnetfeld des Planeten „verbindet“.
Dieses Ergebnis ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens liefert es das bislang klarste Bild davon, wo und wie die Polarlichter (Auroren) des Uranus entstehen und wie sich ihre Form und Position durch ein Magnetfeld verändern, das gegenüber der Rotationsachse geneigt und versetzt ist. Zweitens bestätigen die Messungen, dass die obere Atmosphäre des Uranus weiter abkühlt – ein Trend, der Wissenschaftler seit den frühen 1990er-Jahren verwirrt.
Was genau wurde gemessen und warum ist das beispiellos
Die Ionosphäre ist eine Atmosphärenschicht, in der Sonnenstrahlung und geladene Teilchen Ionen und Elektronen erzeugen, sodass das Gas nicht mehr „neutral“ ist. Genau in diesem Bereich findet ein intensiver Energieaustausch statt: Die Ladungen werden vom Magnetfeld „gesteuert“, und Erwärmung sowie Abkühlung hängen von einer Kombination aus Sonnenstrahlung, dem Zufluss von Teilchen aus der Magnetosphäre und der Dynamik der darunterliegenden Atmosphäre ab.
Bisher hatten Forscher auf Uranus ein fragmentiertes Bild – vergleichbar damit, dass man weiß, wie das Flimmern am Himmel aussieht, aber nicht weiß, in welcher genauen Höhe es stattfindet und wie „dick“ die Zone ist, in der Energie freigesetzt wird. Die neuen Webb-Daten ermöglichten die Erstellung vertikaler Profile von Temperatur und Ionendichte: wie heiß es ist und wie viele geladene Teilchen es in verschiedenen Höhen gibt sowie wie sich diese Größen mit der geografischen Länge ändern, während der Planet rotiert.
Wie Webb Uranus beobachtete: fast ein ganzer „Tag“ in einem Zug
Die Beobachtung wurde am 19. Januar 2025 durchgeführt und dauerte etwa 15 Stunden, was nahezu eine volle Rotation des Uranus abdeckt. Das Schlüsselinstrument war NIRSpec, Webbs Nahinfrarot-Spektrograf, eingesetzt im Betriebsmodus Integral Field Unit (IFU). Dieser Ansatz liefert gleichzeitig Spektrum und räumliche Information, sodass sich unterscheiden lässt, wo in der Atmosphäre das Leuchten bestimmter Moleküle auftritt und wo es ausbleibt.
Das wissenschaftliche Team wurde von Paola Tiranti von der Northumbria University im Vereinigten Königreich geleitet. Im Zentrum der Analyse stand ein schwaches Infrarotleuchten oberhalb der Wolken, das entsteht, wenn angeregte Teilchen und Moleküle in der Ionosphäre in niedrigere Energiezustände zurückkehren und Licht bei spezifischen Wellenlängen emittieren. Genau diese „Signatur“ ermöglicht die Abschätzung von Temperatur und Dichte der Ionen.
Zentrale Ergebnisse: wo es am wärmsten ist, wo es die meisten Ionen gibt
Die Messungen zeigen eine klare vertikale Struktur, die sich bis auf etwa 5000 Kilometer über die Wolkenobergrenzen erstreckt. Die Temperatur in den oberen Schichten erreicht ihr Maximum zwischen 3000 und 4000 Kilometern Höhe, während die Ionendichte ihr Maximum bei etwa 1000 Kilometern erreicht. Ein wichtiges Detail ist zudem, dass ausgeprägte Veränderungen in Abhängigkeit von der Länge beobachtet wurden – mit anderen Worten: Dieselbe Schicht ist nicht überall um den Planeten gleich, sondern wird durch die komplexe Geometrie des Magnetfelds „moduliert“.
Die durchschnittliche Temperatur der oberen Atmosphäre aus Webbs Messungen beträgt etwa 426 Kelvin, also ungefähr 150 Grad Celsius. Dieser Wert liegt unter früheren Schätzungen, die mit bodengebundenen Teleskopen und älteren Weltraumbeobachtungen gewonnen wurden, was den Schluss weiter untermauert, dass die obere Atmosphäre des Uranus weiter abkühlt.
Auroren in zwei Bändern und eine „dunkle Zone“ dazwischen: Spur der Magnetgeometrie
In Webbs Daten stechen zwei helle aurorale Bänder in der Nähe der magnetischen Pole hervor. Solche Strukturen entstehen, wenn geladene Teilchen, geführt von Magnetfeldlinien, in die Atmosphäre stürzen und dabei Energie freisetzen. Doch ebenso interessant ist, was fehlt: Zwischen diesen beiden Bändern wurde ein Bereich mit verringerter Emission und geringerer Ionendichte registriert – eine Art „dunkle Zone“, in der das Leuchten unterdrückt ist.
Ähnliche dunklere Regionen wurden auch auf Jupiter beobachtet, wo bekannt ist, dass die Geometrie der Magnetfeldlinien die Bahnen geladener Teilchen bestimmt, sodass sich die Aurora nicht gleichmäßig verteilt. Auf Uranus ist dieser Effekt zusätzlich betont, weil das Magnetfeld extrem „asymmetrisch“ ist: Die magnetische Achse ist um fast 60 Grad gegenüber der Rotationsachse geneigt, und das Zentrum des Magnetfelds ist vom Planetenzentrum um etwa ein Drittel des Radius verschoben. Daher verhalten sich die auroralen Zonen nicht wie ein stabiler Ring um die Pole, sondern „schwappen“ während der Rotation über verschiedene geografische Gebiete und beeinflussen die Energieverteilung in der Atmosphäre tiefgreifend.
Warum die Abkühlung des Uranus ein großes Rätsel ist
Uranus ist der kälteste der Riesenplaneten im Sonnensystem, wenn man von den Temperaturen spricht, die wir in der Atmosphäre „sehen“, doch gerade die oberen Schichten – Thermosphäre und Ionosphäre – sollten empfindlich auf Energiezufuhr reagieren. Ein weiteres Problem ist, dass Uranus weit von der Sonne entfernt ist, sodass der Zufluss an Sonnenstrahlung schwächer ist als bei Jupiter oder Saturn; dennoch zeigt die obere Atmosphäre komplexe Veränderungen, die sich nicht einfach allein durch die Entfernung zur Sonne erklären lassen.
Der seit den frühen 1990er-Jahren verfolgte Abkühlungstrend löst Diskussionen darüber aus, wie Energie aus den unteren Schichten nach oben übertragen wird, wie effizient die Atmosphäre durch Abstrahlung ins All „abkühlt“ und welche Rolle saisonale Änderungen, der Sonnenwind und interne Prozesse in der Magnetosphäre spielen. Webbs Ergebnisse schließen die Frage nicht, liefern aber erstmals einen ausreichend detaillierten „3D-Kontext“, sodass Hypothesen getestet werden können, ohne sich auf einzelne, unzusammenhängende Messungen zu stützen.
Das größere Bild: eine Lektion über Eisriesen und Welten außerhalb des Sonnensystems
Uranus und Neptun werden oft als Eisriesen bezeichnet, und ihre atmosphärischen und magnetischen Prozesse sind entscheidend für das Verständnis einer Planetenklasse, die in der Galaxie wahrscheinlich häufig ist. Bei Beobachtungen von Exoplaneten, insbesondere solcher mit Größe und Masse ähnlich wie Uranus, verfügen Wissenschaftler oft nur über ein „integriertes“ Signal – einen Mittelwert über den gesamten Planeten. Deshalb ist jede Verbesserung des Verständnisses, wie Energie in den oberen Atmosphärenschichten verteilt wird, auch direkt hilfreich für die Interpretation von Daten über entfernte Welten.
Genau hier haben Webbs Messungen zusätzlichen Wert: Sie zeigen, wie in der Ionosphäre lokale Maxima von Temperatur und Ionendichte auftreten können, wie sich aurorale Strukturen in mehrere Bänder organisieren können und wie magnetische Asymmetrie eine sichtbare Signatur nicht nur in der „Lichtshow“, sondern auch in der vertikalen Struktur der Atmosphäre selbst hinterlässt.
Wie es weitergeht: mehr Rotationen, Vergleiche und die Suche nach dem Mechanismus
Die gewonnenen Ergebnisse basieren auf Beobachtungen aus dem JWST-General-Observer-Programm 5073, dessen Hauptforscher Henrik Melin ist. Die wissenschaftliche Gemeinschaft verfügt nun über einen Referenzdatensatz, der mit zukünftigen Webb-Messungen, aber auch mit Daten anderer Observatorien verglichen werden kann. Besonders wichtig wird es sein, zu verfolgen, wie sich die Signale im Laufe der Zeit verändern: Ändert sich die Position der auroralen Bänder in Abhängigkeit von solaren Bedingungen, erscheint die „dunkle Zone“ immer an derselben Stelle in der Magnetgeometrie, und setzt sich die Abkühlung im gleichen Tempo fort?
Für Uranus, einen Planeten, der historisch nur wenige Besuche und noch weniger langfristige Beobachtungskampagnen hatte, stellen solche Daten eine Art „Mini-Mission“ aus der Ferne dar. Statt eines kurzen Vorbeiflugs erhält man eine kontinuierliche Beobachtung, die offenlegt, wie sich die Atmosphäre verhält, während der Planet rotiert, und wie das Magnetfeld die Ionosphäre über Höhe und Länge hinweg umformt. So setzt sich Schritt für Schritt der Mechanismus zusammen, der erklären könnte, wie Eisriesen Energie unter den extremen Bedingungen des äußeren Sonnensystems ausbalancieren.
Quellen:- ESA/Webb – wissenschaftliche Mitteilung zur 3D-Kartierung der Ionosphäre des Uranus, Ergebnissen zu Temperatur, Ionendichte und auroralen Bändern (link)- Northumbria University Research Portal – bibliografische Daten und Status der Arbeit in Geophysical Research Letters (DOI: 10.1029/2025GL119304) (link)- NASA Science – grundlegende Fakten zum Magnetfeld des Uranus, seiner Neigung und Verschiebung vom Planetenzentrum (link)- ESA/Webb – Beschreibung des Instruments NIRSpec und der Möglichkeiten des Integral Field (IFU) in der Spektroskopie (link)
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Erstellungszeitpunkt: 1 Stunden zuvor