Aspects of the magnetosphere-stellar wind interaction of close-in extrasolar planets

Grießmeier, Jean-Mathias

Seit 1995 sind mehr als 150 extrasolare Planeten entdeckt worden, von denen sich ein beträchtlicher Anteil auf Bahnen mit sehr kleinen Halbachsen befindet. Gasriesen mit Halbachsen von weniger als 0.1 AU werden als ``heiße Jupiter'' bezeichnet. Auch wenn die aktuellen Beobachtungsmethoden nicht empfindlich genug sind, um erdähnliche Planeten zu entdecken, werden solchen Planeten in ähnlichen Umlaufbahnen erwartet. Für alle diese kurzperiodischen Exoplaneten wird eine völlig andere Wechselwirkung zwischen dem Sternenwind und der planetaren Magnetosphäre erwartet als im Sonnensystem. Wichtige Unterschiede, die aus dem geringen Bahnabstand resultieren, sind eine geringe Sternenwindgeschwindigkeit, eine hohe Sternenwinddichte sowie starke Gezeitenwechselwirkung zwischen dem Planeten und den Stern. Es wird gezeigt, daß diese Wechselwirkung unter anderem zur Synchronisation der Planetenrotation mit der Umlaufbahn führt (``gebundene Rotation''). Unter Berücksichtung dieser Ergebnisse werden magnetische Momente von Planeten abgeschätzt und Magnetosphärengrößen abgeleitet. Zwei verschiedene Effekte, die daraus resultierten, werden im Detail untersucht. (a) Charakteristiken von Radiostrahlung aus den Magnetosphären von ``heißen Jupitern'' werden diskutiert. Es wird gezeigt, daß der Frequenzbereich und die Empfindlichkeit aktueller Radiodetektoren nicht ausreichen, um exoplanetare Radiostrahlung nachzuweisen. Mit geplanten Erweiterungen bestehender Instrumente und mit dem Bau neuer Radiodetektoren wird dies in naher Zukunft möglich sein. (b) Der Fluß von galaktischer kosmischer Strahlung in die Atmosphären kurzperiodischer terrestrischer Exoplaneten um M Sterne wird untersucht.Es wird gezeigt, daß verschiedene Typen von Planeten nur wenig gegen kosmische Strahlung abgeschirmt sind, was vermutlich Auswirkungen auf deren Bewohnbarkeit hat. Dies sollte bei der Auswahl von Zielen für die Suche nach Biosignaturen in planetaren Spektren berücksichtigt werden.

Since 1995, more than 150 extrasolar planets were detected, of which a considerable fraction orbit their host star at very close distances. Gas giants with orbital distances below 0.1 AU are called ``Hot Jupiters''. Current detection techniques are not sensitive enough for the detection of Earth-like planets, but such planets are expected at similar orbital positions. For all these so-called close-in extrasolar planets, the interaction between the stellar wind and the planetary magnetosphere is expected to be very different from the situation known from the solar system. Important differences arising from the close substellar distances include a low stellar wind velocity, a high stellar wind density and strong tidal interaction between the planet and the star. This interaction is shown to lead, for example, to a synchronisation of the planetary rotation with its orbit (``tidal locking''). Taking these points into account, planetary magnetic moments are estimated and sizes of planetary magnetospheres are derived. Two different effects resulting from the magnetospheric interaction are studied in detail. (a) Characteristics of radio emission from the magnetospheres of ``Hot Jupiters'' are discussed. It is shown that the frequency range and the sensitivity of current radio detectors are not sufficient to detect exoplanetary radio emission. With planned improvements of the existing instrumentation and with the construction of new radio arrays, the detection of exoplanetary radio emission will be possible in the near future. (b) The flux of galactic cosmic rays to the atmospheres of terrestrial exoplanets in close orbits around M stars is studied. Different types of planets are shown to be weakly protected against cosmic rays, which is likely to have implications for planetary habitability. This should be taken into account when selecting targets for the search for biosignatures in the spectra of terrestrial exoplanets.

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Grießmeier, Jean-Mathias: Aspects of the magnetosphere-stellar wind interaction of close-in extrasolar planets. 2006.

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