Stjärnors magnetiskа aktivitet: en nyckelfaktor för jordlika exoplaneters evolution, atmosfär och beboelighet

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Stjärnors magnetiska aktivitet: en nyckelfaktor för jordlika exoplaneters evolution, atmosfär och beboelighet
Huvudsökande: Oleg Kochukhov, avdelningen för astronomi och rymdfysik
Beviljade medel: 3 255 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Undersökningar av planeter som kretsar runt andra stjärnor än solen – exoplaneterna – är en spännande och aktiv gren i modern astronomi. När allt fler exoplaneter av jordstorlek upptäcks runt närliggande stjärnor blir det möjligt att undersöka deras atmosfärer, studera beboelighet och söka efter livstecken. Denna forskning ger oss bättre förståelse för hur livet har uppstått på vår planet och besvarar frågan om hur vanlig den processen kan vara i universum.

Stjärnors magnetiska aktivitet är en nyckelfaktor som bestämmer atmosfärens egenskaper och beboelighet hos terrestriska exoplaneter. Magnetiska fält genereras i solens och sol-liknande stjärnors inre, med mekanismer som vi inte förstår idag. Dessa fält flyter till ytan, omstruktureras och försvinner. En stor mängd energi (kortvågslängdsstrålning och högenergipartiklar) frigörs i denna process och sprutas ut i rymden mellan planeterna. Detta flöde av energi förändrar planetatmosfärens struktur och kemi och interagerar med planetmagnetosfärer. På jorden är vi bekanta med dessa fenomen i form av geomagnetiska stormar och vackra polarljus. Men de mest extrema (och lyckligtvis mycket sällsynta) stjärnmagnetiska explosionerna kan hota det biologiska livet och få katastrofala följder för en teknologisk civilisation.

Under den första miljarden år efter solsystemets födelse spelade solens magnetiska aktivitet en än större roll. Vid den tiden var solen svagare, men mycket mer magnetiserad. Dess magnetiska aktivitet producerade växthusgaser, som värmde jorden och höll temperaturen tillräckligt hög för att flytande vatten skulle kunna existera på ytan. Solens elektromagnetiska strålning med hög energi har också stimulerat kemiska reaktioner som gav upphov till komplexa kemikalier – byggstenar som senare användes för att skapa liv.

Denna påverkan av stjärnmagnetfält är lika viktigt för de exoplaneter, som nyligen upptäckts i de beboeliga zonerna (där flytande vatten kan existera på planetens yta) av lågmassestjärnor. Ett exempel är den närmaste jordliknande exoplaneten som kretsar kring den röda dvärgstjärnan Proxima Centauri och det berömda sjuplanetsystemet TRAPPIST-1. När man letar efter s.k. jordtvillingar (planeter som potentiellt kan hysa liv) är sådana stjärnor de bästa kandidaterna. Detta beror på att dessa beboliga stenplaneter kretsar mycket närmare centralstjärnan och därför är lättare att upptäcka och undersöka. Det innebär emellertid också att dessa planeter badar i mycket starkare stjärnmagnetfält. Dessa fält kan förändra planeternas banor, riva sönder deras atmosfärer och även smälta dessa närliggande stenplaneters inre.

Så, för att förstå planeternas evolution behöver vi detaljerad information om stjärnors magnetiska fält. Hittills har dock våra insikter om magnetfältets betydelse mestadels varit begränsade till teoretiska spekulationer och tvivelaktiga extrapoleringar från vårt eget solsystem – eftersom vi saknat utrustning för direkta studier av andra stjärnors magnetfält. Dessa brister kommer snart att lösas med hjälp av nya instrument på stora optiska teleskop. Ett av dessa instrument, CRIRES, är en unik spektrometer som vi kommer att installera på ett av de gigantiska 8-metersteleskopen i det Europeiska sydobservatoriet i Chile. Detta instrument analyserar intensiteten och polariseringsegenskaperna hos infrarött ljus – strålning med våglängder längre än vad det mänskliga ögat kan uppfatta. Vår forskargrupp i Uppsala leder ett internationellt konsortium som för närvarande arbetar med detta instrument. Vi kommer att vara klara att installera instrumentet på teleskopet under 2019. Därmed kommer vi kunna börja använda instrumentet före resten av det astronomiska samhället.

I detta projekt kommer vi att utnyttja CRIRES fulla kapacitet, för att få ut det mesta av det privilegium vår tidiga tillgång till instrumentet innebär. Vi kommer kunna rekonstruera solens magnetiska historia genom att studera aktiva unga stjärnor, solens tvillingar, steg för steg genom deras utvecklingsetapper. Vi kommer också att använda CRIRES för att upptäcka och beskriva magnetfält i närliggande lågmassestjärnor med jordliknande planeter i beboeliga zoner. De nya upptäckter om magnetfält som vårt projekt kan resultera i kommer att leda till ett stort genombrott när det gäller att förstå magnetiska miljöer där exoplaneter bildas och existerar.