The Influence of Strong Stellar Particle Events and Galactic Cosmic Rays on Exoplanetary Atmospheres

Seit jeher sind Menschen fasziniert vom Universum und haben den Drang das Wissen darüber kontinuierlich zu erweitern. Seit der ersten Entdeckung eines Planeten außerhalb des Sonnensystems, erlaubt es die verbesserte Technologie auch potentielle Atmosphären um diese Planeten zu untersuchen. Diese Atmosphären werden durch den Heimatstern des Planeten beeinflusst.

Von der Erde ist bekannt, dass energiereiche Teilchen die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändern können, insbesondere auch Einfluss auf sogenannte Biosignaturen wie Ozon (O$_3$) oder Lachgas (N$_2$O) nehmen. ... mehrDies sind Spurengase, die auf eine biogene Aktivität hinweisen könnten und für Beobachtungen von Exoplaneten von größerer Relevanz sind. Rote Zwergsterne sind im Universum der am häufigsten vorkommende Sterntyp und besitzen oft eine größere stellare Aktivität im Vergleich zur Sonne. Die Untersuchung der Auswirkungen dieser energiereichen Teilchen auf die Atmosphäre von Planeten um rote Zwerge ist entscheidend, um die Interpretation von gegenwärtigen und zukünftigen Messungen zu verbessern.

Die vorliegende Arbeit befasst sich in diesem Kontext mit dem Einfluss von starken stellaren Teilchenereignissen (SEP) auf Exoplanetare Atmosphären. Hierzu wurden verschiedene Simulationen mit dem Ionenchemiemodell ExoTIC ($\textbf {Exo}$planetary $\textbf{T}$errestrial $\textbf{I}$on $\textbf{C}$hemistry model) durchgeführt. Nach einer Validierung von neu hinzugefügten Reaktionen am Beispiel der heutigen Erdatmosphäre während des Halloween Ereignisses im Oktober 2003, wurden die Modellsimulationen auf zwei Exoplaneten mit unterschiedlichen Atmosphären ausgedehnt. Diese beiden Planeten umkreisen dabei einerseits einen aktiven und andererseits einen inaktiven roten Zwergstern. Für die Modellierung des dortigen Teilchenflusses, wurde das auf der Erde beobachtete Carringtonereignis von 1859 auf die Position der Exoplaneten um deren Stern skaliert.

Der Vergleich zwischen den Simulationen und Beobachtungen auf der Erde während des Halloween Ereignisses von 2003 ergab eine gute Übereinstimmung. Demnach konnte das Modell Setup für die weiteren Simulationen verwendet werden. Die Ergebnisse für die verschiedenen exoplanetaren Atmosphären variierten deutlich. Für N$_2$-dominierte Atmosphären zeigten sich während des Teilchenereignisses Veränderungen in den N$_2$O, H$_2$O sowie O$_3$ Konzentrationen, wohingegen bei H$_2$-dominierten Atmosphären vor allem Wasserdampf beeinflusst wird. Die Veränderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung zeigen sich folglich auch in den simulierten Transmissionsspektren und können die Interpretation der Messdaten erschweren. Insbesondere in N$_2$-dominierten Atmosphären ohne biogene Flüsse ist die abiotische Produktion von N$_2$O mit deutlicheren Signalen im Transmissionsspektrum zu sehen und deutet darauf hin, dass N$_2$O eher ein Marker für stellare Aktivität ist, als eine robuste Biosignatur.

Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, aktuelle und zukünftige Messungen besser interpretieren zu können und zeigt auf, dass dabei der Einfluss von energiereichen Teilchen berücksichtigt werden muss. Insbesonders, da exoplanetare Atmosphären sehr unterschiedlich sein können, sind die Auswirkungen auf die Zusammensetzung sehr verschieden.

Humanity has always been fascinated by the universe and has continuously expanded its knowledge about it. Since the first discovery of a planet outside the solar system, improved technology now also allows us to investigate potential atmospheres around these planets, which are influenced by their home star.

It is known from Earth that highly energetic particles can change the composition of Earth's atmosphere, in particular influencing so-called biosignatures such as ozone (O$_3$) or nitrous oxide (N$_2$O). These are trace gases that could indicate biogenic activity and are relevant for observations of exoplanets. ... mehrRed dwarf stars are the most common type of star in the universe and often have higher stellar activity than Sun-like stars. Studying the effects of these energetic particles on the atmospheres of planets orbiting red dwarfs is crucial for improving the interpretation of current and future measurements.

In this context, the thesis addresses the influence of strong stellar energetic particle events (SEP) on exoplanetary atmospheres. Various simulations were carried out using the ion chemistry model ExoTIC ($\textbf {Exo}$planetary $\textbf{T}$errestrial $\textbf{I}$on $\textbf{C}$hemistry model). After validating newly implemented reactions using today's Earth atmosphere during the Halloween energetic particle event in October 2003, the model simulations were extended to two exoplanets with diverse atmospheres. These two planets orbit an active on the one hand, and an inactive red dwarf star on the other hand. To model the particle environment for red dwarf stars, the Carrington event of 1859 was scaled to the position of the exoplanets around their host star. For Earth, it was one of the strongest ever recorded solar energetic particle event.

The comparison between simulations and observations on Earth during the Halloween storm of 2003 showed good agreement, suggesting that the model configuration can be used for further simulations. The results for the different exoplanetary atmospheres varied significantly. For N$_2$–dominated atmospheres, changes in the N$_2$O, H$_2$O, and O$_3$ concentrations were observed during the particle event, while in H$_2$–dominated atmospheres, water vapor was primarily affected. The changes in atmospheric composition are therefore also reflected in the simulated transmission spectra and can make it more difficult to interpret the measured data. Particularly in N$_2$-dominated atmospheres without biogenic fluxes, the abiotic production of N$_2$O shows more pronounced signals in the simulated transmission spectrum and suggests that N$_2$O is a marker for stellar activity rather than a robust biosignature.

The results of this work contribute to a better interpretation of current and future measurements and show that the influence of stellar energetic particles have to be taken into account. In particular, since exoplanetary atmospheres can vary greatly, the effects on composition are very different.