JWST-3D-Karte enthüllt magnetische Polarlichter des Uranus

Zum ersten Mal hat ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung der Northumbria University eine dreidimensionale Karte der oberen Atmosphäre von Uranus erstellt. Mithilfe der hochempfindlichen Instrumente des James Webb Space Telescope (JWST) gelang es den Forschenden, die komplexe Struktur der Ionosphäre des Eisriesen zu visualisieren und aufzuzeigen, wie dessen einzigartiges Magnetfeld spektakuläre Infrarot-Auroren antreibt. Dieser Durchbruch, der am 19. Februar 2026 in Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, liefert das bisher detaillierteste Bild des Energietransfers innerhalb der Atmosphäre des Planeten und bestätigt einen mysteriösen Abkühlungstrend, der Wissenschaftler seit über dreißig Jahren vor Rätsel stellt.

Die Forschung unter der Leitung der Doktorandin Paola Tiranti nutzte den Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) des Webb-Teleskops, um Uranus während fast einer vollen 15-stündigen Rotation zu beobachten. Durch den Nachweis des schwachen Infrarotleuchtens von H3+-Molekülen kartierte das Team die Atmosphäre bis zu 5.000 Kilometer über der obersten Wolkenschicht. Diese Studie stellt einen bedeutenden Sprung gegenüber früheren zweidimensionalen Momentaufnahmen dar und ermöglicht es Wissenschaftlern, den vertikalen Energietransport durch die Atmosphäre nachzuvollziehen. Die Ergebnisse stellen einen Meilenstein in der Planetenforschung dar und bieten einen neuen Rahmen für das Verständnis der Energiebilanz von Eisriesen, sowohl in unserem Sonnensystem als auch im Orbit um ferne Sterne.

Warum ist das Magnetfeld von Uranus ungewöhnlich und wie beeinflusst es die Auroren?

Das Magnetfeld von Uranus ist ungewöhnlich, da es um etwa 60 Grad gegenüber seiner Rotationsachse geneigt und deutlich vom Zentrum des Planeten versetzt ist. Diese Fehlausrichtung führt dazu, dass die Magnetosphäre bei der Rotation des Planeten chaotisch taumelt und geladene Teilchen so in die Atmosphäre leitet, dass komplexe, sich verändernde Infrarot-Auroren entstehen, die nicht mit den geografischen Polen übereinstimmen.

Im Gegensatz zur Erde, wo das Magnetfeld relativ zur Rotationsachse ausgerichtet ist, weist Uranus eine axiale Neigung von 98 Grad auf – er dreht sich also quasi auf der Seite liegend. Die Hauptautorin Paola Tiranti merkte an, dass die Empfindlichkeit des Webb-Teleskops es dem Team ermöglichte, „den Einfluss seines unregelmäßigen Magnetfelds“ zum ersten Mal in drei Dimensionen zu sehen. Die Beobachtungen detektierten zwei ausgeprägte, helle Aurora-Bänder in der Nähe der magnetischen Pole. Zwischen diesen Bändern identifizierten die Forscher einen einzigartigen Rückgang der Emissionen und der Ionendichte – ein Merkmal, das wahrscheinlich durch die spezifische Geometrie der Magnetfeldlinien verursacht wird, die Teilchen durch die obere Atmosphäre leiten.

Wie hat sich die obere Atmosphäre von Uranus in den letzten 30 Jahren abgekühlt?

Die obere Atmosphäre von Uranus weist seit den frühen 1990er-Jahren einen beständigen Abkühlungstrend auf, wobei aktuelle Messungen eine Durchschnittstemperatur von etwa 426 Kelvin (150 Grad Celsius) verzeichnen. Dieser langfristige Rückgang hält trotz der jahreszeitlichen Veränderungen des Planeten an, was darauf hindeutet, dass die interne atmosphärische Zirkulation oder eine komplexe ionosphärische Chemie eine dominierende Rolle bei der Regulierung des thermischen Zustands des Eisriesen spielt.

Die Messungen des Teams bestätigen, dass sich der von bodengebundenen Teleskopen und früheren Raumsonden beobachtete Abkühlungstrend bis ins Jahr 2026 fortgesetzt hat. Die Daten des JWST zeigten, dass die Temperaturen nun deutlich niedriger sind als jene, die im späten 20. Jahrhundert aufgezeichnet wurden. Dieses Phänomen ist angesichts der Entfernung von Uranus zur Sonne besonders überraschend, da traditionelle Modelle der solaren Erwärmung diese Verschiebungen nicht vollständig erklären können. Wissenschaftler glauben, dass die Aufklärung des Mechanismus hinter dieser Abkühlung entscheidend ist, um zu verstehen, wie Riesenplaneten ihre Temperaturen über Jahrzehnte hinweg regulieren.

Was verraten die neuen Messungen über die Ionendichten in der Atmosphäre von Uranus?

Die neuen Messungen zeigen, dass die Ionendichten in der Atmosphäre von Uranus ihr Maximum in etwa 1.000 Kilometern Höhe über der Wolkendecke erreichen, während die atmosphärischen Temperaturen viel höher liegen, nämlich zwischen 3.000 und 4.000 Kilometern. Die Kartierung identifizierte zudem „verdunkelte“ Regionen mit niedriger Ionendichte zwischen den Aurora-Bändern, ähnlich wie Strukturen, die zuvor beim Jupiter beobachtet wurden.

Diese Erkenntnisse wurden durch das General Observer Programm 5073 ermöglicht, das von Dr. Henrik Melin von der Northumbria University geleitet wurde. Durch den Einsatz der Integral Field Unit des Teleskops war das Team in der Lage, die vertikale Struktur der Ionosphäre zu isolieren. Die Forschung unterstreicht, dass die Dichte der Ionen keinem gleichmäßigen Gradienten folgt; stattdessen wird sie stark von der magnetischen Umgebung des Planeten beeinflusst. Paola Tiranti erklärte, dass die Rückverfolgung dieser vertikalen Struktur ein entscheidender Schritt zur Charakterisierung der atmosphärischen Dynamik von Riesenplaneten außerhalb unseres Sonnensystems ist, wo ähnliche magnetische Anomalien existieren könnten.

Auswirkungen auf die Energiebilanz von Eisriesen

Das Verständnis der Energiebilanz von Uranus hat weitreichende Konsequenzen für das Feld der Exoplanetenforschung. Da Eisriesen zu den am häufigsten vorkommenden Planetentypen in der Galaxie gehören, dient die von den Forschern der Northumbria University erstellte 3D-Karte als „Goldstandard“ dafür, was von ähnlichen Welten zu erwarten ist. Die Studie legt nahe, dass polarlichterzeugende Erwärmung und Magnetfeldinteraktionen die primären Treiber des atmosphärischen Verhaltens sind und möglicherweise den Einfluss der Sonneneinstrahlung bei Planeten, die weit von ihren Muttersternen entfernt sind, überwiegen.

Die Daten liefern zudem wichtigen Kontext für zukünftige Forschungsmissionen. Derzeit prüfen Weltraumorganisationen die Mission Uranus Orbiter and Probe, die das Innere und die Atmosphäre des Planeten in situ untersuchen soll. Die JWST-Ergebnisse helfen dabei, die Instrumente und Missionsparameter zu verfeinern, die für die Untersuchung der Ionosphäre aus nächster Nähe erforderlich sind. Durch die Offenlegung der spezifischen Höhen, in denen Ionendichte und Temperatur ihre Spitzenwerte erreichen, ermöglicht die Forschung den Ingenieuren eine bessere Vorhersage des atmosphärischen Widerstands und der Strahlungsumgebung, auf die eine zukünftige Sonde treffen würde.

Ein vergleichender Blick auf planetare Auroren

Während die Auroren auf Uranus durch sein unregelmäßiges Magnetfeld angetrieben werden, weisen sie grundlegende Ähnlichkeiten mit Aurora-Aktivitäten an anderen Orten im Sonnensystem auf. Auf der Erde ist die Aurora-Aktivität derzeit hoch, wobei ein Kp-Index von 5 auf eine moderate (G1) geomagnetische Sturmkapazität hinweist. In solchen Zeiträumen sind Polarlichter bis in Breitengrade von 56,3 Grad sichtbar, einschließlich Regionen wie:

• Fairbanks, Alaska (USA)
• Reykjavik, Island
• Tromsø, Norwegen
• Stockholm, Schweden
• Helsinki, Finnland

Auf Uranus treten diese „Lichtspiele“ jedoch im Infrarotspektrum auf und sind weitaus ausgedehnter, wobei sie Tausende von Kilometern in den Weltraum reichen. Das JWST hat kürzlich auch ähnliche Phänomene auf Jupiter und Neptun eingefangen, was darauf hindeutet, dass Aurora-Aktivität ein universelles Merkmal magnetisierter Planeten ist, obwohl die spezifische visuelle Ausprägung stark von der chemischen Zusammensetzung und der magnetischen Ausrichtung des Planeten abhängt.

Die Zukunft der Eisriesen-Forschung

Der Erfolg dieses 3D-Kartierungsprojekts signalisiert eine neue Ära für die Forschungsgruppe Solar and Space Physics an der Northumbria University. Zukünftige Studien werden sich wahrscheinlich auf das „Was kommt als Nächstes“ der Uranus-Forschung konzentrieren: die Feststellung, ob der 30-jährige Abkühlungstrend zyklisch oder eine dauerhafte Veränderung ist. Astronomen planen, das James Webb Space Telescope für Folgebeobachtungen zu verschiedenen Zeitpunkten der 84-jährigen Umlaufbahn des Planeten einzusetzen, um zu sehen, wie die wechselnden Jahreszeiten die 3D-Struktur der Ionosphäre beeinflussen.

Als führendes Observatorium für die Weltraumforschung löst Webb weiterhin Rätsel in unserer direkten Nachbarschaft, während es gleichzeitig nach den Ursprüngen des Universums sucht. Diese von der NASA, der ESA und der CSA unterstützte Studie unterstreicht die Bedeutung internationaler Zusammenarbeit bei der Bewältigung der komplexesten Fragen der Planetenforschung. Mit der Fertigstellung der ersten 3D-Karte von Uranus ist die wissenschaftliche Gemeinschaft dem Verständnis der „mysteriösen Strukturen“ der Riesen am Rande unseres Sonnensystems einen Schritt näher gekommen.