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Jupiter nutzt überraschend komplexes System zur Abwehr von Sonnenpartikeln
Kosmische Stoßbremse: Jupiters Bugstoßwelle verarbeitet den energiereichen Sonnenwind offenbar komplexer als ihr irdisches Pendant. Hochaufgelöste Juno-Messungen zeigen Plasmawellen mit mehreren Harmonischen, dicht gestaffelte weitere Wellenfrequenzen und periodische Magnetfeldstrukturen. Diese Prozesse könnten helfen, die besonders hohe Energie des jovianischen Schocks in Wärme und Teilchenenergie umzuwandeln.
Iowa City (U.S.A.). Trifft der überschallschnelle Sonnenwind auf die magnetische Umgebung eines Planeten, entsteht vor ihm eine Bugstoßwelle, an der der Teilchenstrom abgebremst und ein Teil seiner Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Doch im nahezu kollisionsfreien Weltraum können Zusammenstöße zwischen Teilchen diese Energiebilanz nicht erklären, weshalb Plasmawellen und ihre Wechselwirkung mit geladenen Teilchen einen wichtigen Teil dieser Aufgabe übernehmen.
In größerer Sonnenentfernung ist der Sonnenwind typischerweise stärker super-Alfvénisch, also im Verhältnis zur lokalen Alfvén-Geschwindigkeit besonders schnell, wodurch Jupiters Bugstoßwelle hohe Machzahlen und erhöhte Anforderungen an die Energiedissipation erreicht. Bisher fehlten solche hochaufgelösten Messungen. Damit blieben die feinen Wellenstrukturen an der Stoßfront eines äußeren Planeten weitgehend verborgen.
Forscher der University of Iowa (UI) um Jayasri Joseph haben nun zwei Durchgänge der Raumsonde Juno durch Jupiters Bugstoßwelle vom 10. und 11. Dezember 2024 ausgewertet. Die Sonde erfasste dabei einen eher parallel und einen stärker senkrecht zum Magnetfeld ausgerichteten Schock. Entscheidend waren vor allem die Burst-Messungen des Instruments Waves mit 50.000 Messwerten pro Sekunde, ergänzt durch Magnetfeld- und Teilchendaten.
Vieles davon ist vertraut. Doch die Daten zeigen auch ungewöhnlich ausgeprägte nichtlineare Strukturen. Besonders auffällig waren Ionenschallwellen mit einer Grundfrequenz von 5.610 Hertz sowie Oberwellen bei 11.130 und 16.680 Hertz. Solche Harmonischen können den Bereich der Elektronen verbreitern, die mit den Wellen wechselwirken und dadurch Energie aufnehmen.
„Jupiter hat seinen eigenen Weg gefunden, mit dem Sonnenwind umzugehen, und zwar durch Plasmawellen, die stärker sind und reichere harmonische Strukturen aufweisen. Das ist wichtig, weil man mit mehreren Frequenzen mehr Teilchen im Sonnenwind aufheizen und sie abbremsen kann“, erklärt Jayasri Joseph.
Noch komplexer wurde das Bild direkt an der Stoßrampe: Dort registrierte Juno Wellen einer sogenannten Elektronen-Zyklotron-Driftinstabilität, deren Spektrum rund 18 Maxima in Abständen von etwa 300 Hertz zeigte. Diese Instabilität entsteht durch die Relativbewegung zwischen einströmenden Elektronen und am Schock reflektierten Ionen und kann zur Elektronenheizung beitragen.
Damit unterscheidet sich Jupiters Bugstoßwelle in wichtigen Details von ihrem irdischen Gegenstück und zeigt verschiedene Vorbereiche, in denen reflektierte Ionen, Elektronenstrahlen und unterschiedliche Wellentypen auftreten. Die Forscher deuten diese zusätzliche Staffelung als Teil der Art, wie der energiereiche jovianische Schock den Sonnenwind verarbeitet.
„Die Erde muss diese zusätzlichen Schritte im Umgang mit dem Sonnenwind nicht unternehmen, weil die Einwirkung nicht so stark ist“, sagt Bill Kurth von der University of Iowa (UI).
Beim zweiten Durchgang registrierte Juno außerdem periodische Magnetfeldstrukturen, die sich etwa alle 8,3 Sekunden wiederholten. Ihr Rhythmus passt zu Prozessen, bei denen sich eine kollisionsfreie Stoßfront immer wieder reorganisiert. Der Befund bleibt vorläufig. Die Autoren werten ihn als Hinweis auf eine mögliche Schock-Reformation, nicht als endgültigen Nachweis.