Die „Oberfläche“ des Jupiters besteht aus abwechselnd hellen und dunklen Gasbändern, die starke Winde beherbergen. Diese Winde strömen in entgegengesetzte Richtungen und können Geschwindigkeiten von mehr als 100 Metern pro Sekunde erreichen. Doch was passiert in den Tiefen darunter, die man nicht sehen kann? Ist das Innere des Planeten genauso dynamisch wie seine „Oberfläche“?
Quelle: NASA, Nature.
(Bild: NASA/JPL-Caltech/Harvard/Moore et al.)
Wissenschaftler haben kleine Signaturen im Gravitationsfeld des Jupiters genutzt, um diese Fragen zu beantworten und unser Verständnis der inneren Dynamik solcher Gasriesenplaneten möglicherweise zu verändern.
Die Sonde Juno der US-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA hat das Gravitationsfeld des Jupiter präzise gemessen. Die Daten enthüllen Details der Struktur und Dynamik des Planeteninneren. Es wurde erforscht, dass in rund 10.000 Kilometern Tiefe das mit rund zehn Prozent zweithäufigste Gas Helium kondensiert und Tropfen bildet. Wenn das Helium flüssig wird und Tropfen bildet, löst sich das Neon darin. Der gemischte Tropfen sinkt weiterhin ab. In einer Tiefe von mehr als 13.000 Kilometern unter der Wolkendecke geschieht anschließend ein weiterer Wandel. Bei Temperaturen von rund 5.000°C und dem Druck von ein bis zwei Millionen Atmosphären wird der umgebende flüssige Wasserstoff plötzlich zu einem flüssigen Metall. In keinem Labor lassen sich die gewaltigen Kräfte erzeugen, die für die Entstehung des metallisch-flüssigen Wasserstoffs nötig sind.
Welche Eigenschaften dieser exotischer Zustand hat und wie er aussieht, kann nur vermutet werden. Es ist klar, dass das eigentlich nicht-leitende Gas Wasserstoff nun plötzlich zu einer leitfähigen Flüssigkeit wird. Wie bei einem Metall können Elektronen in diesem Gemisch relativ frei fließen und so elektrische Ströme verursachen.
(Bild: NASA/IRTF/JPL-Caltech/NAOJ/A. Wesley/A. Kazemoto/C. Go)
Aber auch die Heliumtropfen können den höllischen Bedingungen im Jupiterinneren nicht lange standhalten. Bei mehr als 10.000°C und dem Druck von mehreren Millionen Atmosphären wird auch das flüssige Helium schließlich zu einem Metall. Einmal zum Metall geworden bildet es mit dem ebenfalls metallisch-flüssigen Wasserstoff ein Gemisch, das mit einer Metalllegierung verglichen werden kann. Die metallische Mischung aus Wasserstoff und Helium tief im Inneren des Jupiter ist zwar reichlich exotisch, gleichzeitig aber liefert sie endlich eine Erklärung für eine lange bekannte weitere Besonderheit von Jupiter, dem Magnetfeld des Gasriesen.
Die Mischung aus metallisch-flüssigem Wasserstoff und Helium nimmt im Planeteninneren wahrscheinlich die Rolle des Dynamos ein, und wirkt wie der Erd-Kern aus festem und flüssigem Eisen. Die in verschiedenen Regionen unterschiedlich schnelle Rotation und die auf- und absteigenden Konvektionsströmungen der leitfähigen Flüssigkeiten erzeugen die gewaltigen Magnetfeldkräfte des Gasplaneten.
(Bild: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Image processing by Kevin M. Gill, © CC BY)
Die Konvektionsströme im Inneren des Planeten reichen vermutlich bis an die Oberfläche. Die Forscher konnten mit den verfeinerten Messungen des Jupiter-Gravitationsfeldes durch Raumsonden und verbesserten Methoden zur Modellierung der Planetenstruktur nicht klären, ob die Konvektionsströme im Inneren mit dem gebänderten Aussehen der Oberfläche zusammen hängen.
Es könnte sein, dass die Bänder lediglich ein Oberflächenphänomen sind und dass die Konvektion im Inneren einem völlig anderen Muster folgt als an der Oberfläche. Alternativ könnte das, was an der Oberfläche zu sehen ist, eine Ausdehnung von tief liegenden konvektiven Strömungen sein, die Energie aus dem Inneren transportieren.
Angesichts der Komplexität von Planeten ist die vergleichende Planetenforschung zu einem wesentlichen Aspekt der Untersuchung dieser astrophysikalischen Ojekte geworden. Die Daten über Jupiter könnten mit den Ergebnissen vom Gasriesenplaneten Saturn verglichen werden.
NASAs Cassini-Mission zum Saturn, die 2017 endete, lieferte einen Juno-ähnlichen Datensatz für das Gravitationsfeld des Saturns, der nun analysiert wird. Da Saturn einen geringeren Innendruck als Jupiter hat, sollten sich die atmosphärischen Winde viel tiefer ins Innere von Saturn erstrecken können, bevor die Wasserstoffionisierung und die damit verbundenen Widerstandskräfte die Kontrolle übernehmen. Wenn es gelänge, ein konsistentes physikalisches Bild für die beiden Gasriesen in unserem Sonnensystem zusammenzustellen, würde dies das Verständnis der inneren Dynamik dieser Klasse von astrophysikalischen Objekten erheblich vertiefen.
Veröffentlichung:
A deeper look at Jupiter
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