Struktur und Dynamik der Atmosphären Heißer Jupiter

• Antragsteller: Dr. Wieland Dietrich; Professor Dr. Ronald Redmer; Dr. Johannes Wicht
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 362460292

Das Forschungsgebiet der Exoplaneten fasziniert. Viele überraschende Entdeckungen haben unser grundlegendes Verständnis der Physik der Planeten erweitert. Als erstes beobachtet und am besten charakterisiert sind große Gasplaneten (heiße Jupiter), die in relativ kleinem Abstand ihren jeweiligen Stern umkreisen.Die erstaunlichsten Eigenschaften Heißer Jupiter sind z. B. die extremen Temperaturen von bis zu 3000 K und die anormal kleine Dichten - heißer Jupiter erscheinen aufgebläht. Auch weichen die Helligkeitsmuster von einem einfachen Strahlungsgleichgewicht ab. Tag-Nacht-Unterschiede und der meist östliche Versatz des heißesten Punktes relativ zum subsolaren Punkt machen einen diversen Einfluss der atmosphärischen Dynamik deutlich. Der aufgeblähte Radius vieler Heißer Jupiter, kann mit dem Einbringen von Energie in größere Tiefen, zum Beispiel durch Gezeiten, Advektion, viskoser oder Ohmscher Heizung, erklärt werden. Letzteres ist besonders effektiv, wenn schnelle Winde, große elektrische Leitfähigkeit und ein starkes Magnetfeld zusammenkommen und elektrische Ströme erzeugen.Zwei Gruppen mit ergänzender Expertise behalten ihren kollaborativen Ansatz bei, um die atmosphärische Dynamik von Gasplaneten grundsätzlich zu verstehen. Die Gruppe der Planetendynamik am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen hat die nicht-magnetische Atmosphärendynamik im strahlungsdominierten Bereich mit dem bewährten Code MagIC detailliert untersucht. Für die zweite Finanzierungsperiode plant die Göttingen Gruppe die Simulationen um magnetischen Effekten zu erweitern und die konvektive Dynamoschicht hinzuzufügen. Besonders interessant und herausfordernd ist die Implementierung der Temperatur-Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit. Die aus den Modellen resultierenden 3D Temperaturstrukturen sollen die Basis für die Berechnung synthetischen Phasenkurven sein, die direkt mit Beobachtungen verglichen werden können.Die Modelle der elektrischen Leitfähigkeit und andere wichtiger Größen werden von der Statistischen Physik an der Universität Rostock entwickelt. Bisher hat die Gruppe die gekoppelten Ionisierungsreaktionen von Wasserstoff, Helium und der Metalle für die strahlungsdominierte Zone der Atmosphäre berechnet. Mithilfe des COMPTRA-Codes - auf multi-Komponenten Plasmen erweitert -, wurde daraus die elektrische Leitfähigkeit bestimmt. Für die zweite Finanzierungsperiode schlägt die Rostock Gruppe vor, quanten-statistische ab-initio Simulationen (DFT-MD Methode) durchzuführen, die u. a. die elektrische Leitfähigkeit im adiabatischen Inneren eines Heißen Jupiters liefert. Eine Kombination beider Ansätze soll ein konsistentes Modell der Eigenschaften aller atmosphärische Schichten, die von der Göttinger Gruppe modelliert werden, ergeben.Das ultimative Ziel ist es, die beobachtete Aufblähung und, basierend auf den dynamisch modifizierten Temperatur-Strukturen, die beobachteten Helligkeitsmuster zu erklären (Spitzer, HST, Kepler, JWST).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1992: Exploration der Diversität extrasolarer Planeten