Elektronen am Saturnhimmel

Bei der Entstehung von Polarlichtern scheint es sich um einen planetenunabhängigen Prozess zu handeln. Diese Vermutung bekräftigen Messungen am Saturn.

Der Anblick irdischer Polarlichter ist faszinierend. Auch auf anderen Planeten lässt sich das Leuchtspektakel beobachten. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau haben jetzt mit dem Teilchenspektrometer MIMI an Bord der Raumsonde Cassini die Polarlichtregion des Saturns untersucht. Dabei fanden sie heraus, dass hier Elektronen nicht nur zum Planeten hin, sondern auch von ihm weg beschleunigt werden.

Abb.: Vorsicht, Teilchenbeschuss! Mit dem Instrument MIMI an Bord der Raumsonde Cassini haben Forscher Elektronenstrahlen gemessen, die in die „verkehrte“ Richtung fliegen: Sie werden in der Polarlichtregion des Saturn von dem Planeten weg beschleunigt. (Bild: Universität zu Köln / Joachim Sau)r

Irdische Polarlichter entstehen, wenn Elektronen oberhalb der Atmosphäre zur Erde hin beschleunigt werden. Treffen diese Elektronen auf die hohe Erdatmosphäre, wird diese zum Leuchten angeregt. Vor einigen Jahren entdeckten Forscher, dass Elektronen innerhalb der Polarlichtregion auch in die „verkehrte“ Richtung, also von der Erde weg, beschleunigt werden. Diese anti-planetaren Elektronen bringen die Atmosphäre jedoch nicht zum Leuchten, und über deren Entstehung rätseln die Wissenschaftler immer noch.

Unklar war bisher auch, ob die anti-planetaren Elektronen nur auf der Erde vorkommen. Ein internationales Team unter der Leitung von Joachim Saur (Universität zu Köln) hat jetzt auf dem Saturn Elektronen entdeckt, die aus der Polarlichtregion des Planeten in die „verkehrte“ Richtung, also anti-planetar, beschleunigt werden. Diese Teilchen wurden mit Hilfe des Magnetospheric Imaging Instruments (MIMI) an Bord der NASA-Raumsonde Cassini gemessen. Einen Sensor dieses Instruments (Low Energy Magnetospheric Measurement System, LEMMS) haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung entwickelt und gebaut.

Für ihre Messungen nutzten die Forscher die Rotation der Raumsonde und des Sensors, um Richtung, Anzahl und Stärke der Elektronenstrahlen zu bestimmen. Dann verglichen sie die Ergebnisse mit Aufnahmen der Polarlichtregion und stellten sie einem globalen Modell des Saturn-Magnetfelds gegenüber. Dabei stellte sich heraus, dass die Fußpunkte der magnetischen Feldlinien, auf denen die Elektronenstrahlen gemessen wurden, erstaunlich gut mit der Polarlichtregion übereinstimmen.

Aus der starken Bündelung des Elektronenstrahls (Öffnungswinkel kleiner als 10 Grad) schlossen die Wissenschaftler auf die Quelle der Strahlen: Sie muss sich oberhalb der Polarlichtregion, aber innerhalb eines Abstands von maximal fünf Saturnradien befinden. Die Ähnlichkeit der gemessenen Strahlen bei den Planeten Erde, Jupiter und jetzt auch Saturn lässt vermuten, dass es sich hierbei um einen fundamentalen Prozess bei der Entstehung von Polarlichtern handelt.

Bei ihren Messungen arbeiteten Norbert Krupp und seine Kollegen Andreas Lagg sowie Elias Roussos vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung eng mit Wissenschaftlern des Instituts für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln und des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University (USA) zusammen. Die amerikanischen Forscher unter Leitung von Tom Krimigis sind für die Bedienung und die Koordination des Instrumentes auf der Raumsonde Cassini verantwortlich.

Quelle: MPG/\[LM/NK\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Saur, B.H. Mauk, D. G. Mitchell, N. Krupp, K.K. Khurana, S. Livi, S. M. Krimigis, P. T. Newell, D. J. Williams, P.C. Brandt, A. Lagg, E. Roussos, M. K. Dougherty, Electron beams at Saturn indicate universality of anti-planetward auroral acceleration, Nature 439, 699 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04401 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Institut für Geophysik und Meteorologie, Köln:
  http://www.geophysik.uni-koeln.de 
• Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau:
  http://www.mps.mpg.de