Jupiters Polarlichter: Datenauswertung von Juno/JEDI Messungen und Modellierung der Beschleunigung von Polarichtelektronen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Saur
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437450396

Das Verständnis von Jupiters Aurora durchläuft derzeit einen Paradigmenwechsel, welcher durch neue Beobachtungen der NASA Juno Raumsonde ausgelöst wurde, die sich seit Juli 2016 in einem polaren Orbit um Jupiter befindet. Eine der Hauptentdeckungen von Juno ist, dass Jupiters Polarlichtelektronen meist eine sehr breite Energieverteilung aufweisen und sich sowohl zu Jupiter hin als auch von Jupiter wegbewegen. Diese Art von Elektronen-Beams unterscheiden sich deutlich von den Erwartungen aus der Zeit vor Juno, in denen uni-direktionale und mono-energetische Elektronen-Beams vorhergesagt wurden. Diese Vorhersagen basieren auf einem statischen Stromsystem, das Jupiters Ionosphäre mit seiner Magnetosphäre verbindet. Die beobachteten breitbandigen, bi-direktionalen Elektronen werden generell stochastischen Beschleunigungsmechanismen zugeschrieben. Die Entwicklung des zu diesen Mechanismen gehörenden wissenschaftlichen Verständnisses befindet sich allerdings zurzeit noch in einer Frühphase. Daher beantragen wir eine Kombination aus Datenauswertung und theoretischen Untersuchungen, um die Mechanismen der Polarlichtbeschleunigung besser zu verstehen: (i) Wir planen energetische Elektronen auszuwerten, die vom JEDI Instrument an Bord von Juno gemessen werden, um die räumlichen und zeitlichen Strukturen der Elektronen-Beams zu bestimmen und diese mit theoretisch erwarteten Strukturen aus turbulenten/stochastischen Beschleunigungstheorien zu vergleichen. (ii) Parallel dazu wollen wir mit theoretischen Studien die Entwicklung von turbulenten Alfvénwellen und deren verschiedene Eigenschaften entlang der Ausbreitungsrichtung im stark zunehmenden Hintergrundmagnetfeld bei gleichzeitig stark abnehmender Plasmadichte auf dem Weg zu Jupiters Ionosphäre untersuchen. (iii) In diesen turbulenten Wellenfeldern werden wir anschließend die Beschleunigung von Elektronen mittels eines Monte-Carlo-Modells simulieren. Wir wollen insbesondere die Auswirkungen a) der sich stark ändernden Wellenfelder entlang deren Propagation zu Jupiter und b) die der turbulenten Natur der Wellenfelder auf die resultierenden Elektronenverteilungsfunktionen verstehen. (iv) Bei Elektronen mit Energien oberhalb von 300 keV, wie sie üblicherweise in den beobachteten Spektren enthalten sind, muss deren relativistischer Impuls berücksichtigt werden. Daher werden wir eine voll-relativistischen Dispersionsrelation anwenden und deren Auswirkungen auf Alfvénwellen im kinetischen Grenzfall untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Kooperationspartner: George Clark, Ph.D.; Dr. Daniel Verscharen