Wie sieht es im Inneren eines Gasriesen aus?

Im Kern des Jupiter oder Saturn herrschen enorme Druck- und Temperaturwerte. Wissenschaftler haben nun errechnet, dass sich Kristalle unter solchen Verhältnissen in neue Formen auflösen, die, wie Metalle, den Fluss von Elektronen ermöglichen. Damit könnten unter anderem die gewaltigen Magnetfelder um Gasgiganten theoretisch erklärt werden.

Ein Beitrag von Julian Schlund. Quelle: NASA Astrobiology. Vertont von Julian Schlund.

Man nehme an, man könnte die Planeten Jupiter und Saturn ihres Gases berauben. Was würde übrigbleiben? Renata Wentzcovitch und Koichiro Umemoto von der University of Minnesota sowie Philip B. Allen von der Stony Brook University haben den Zustand von Gestein bei den Temperatur- und Druckverhältnissen, wie sie wahrscheinlich in den Kernen der beiden genannten Planeten sowie bei zwei Exoplaneten weit entfernt von unserem Sonnensystem auftreten, modelliert. Die Berechnungen haben – wer hätte das gedacht? – deutliche Unterschiede zum gewohnten Gesteinscharakter ergeben. Am bedeutendsten ist dabei jedoch die Erkenntnis, dass Gestein bei solchen Bedingungen in neue Formen mit elektrischer sowie Wärmeleitfähigkeit übergeht, die sich im Verhalten einem Metall sehr ähneln. Diese zwei Eigenschaften können zweifelsohne ausschlaggebend für die Gestalt eines Planeten sein. Ein langlebiges Magnetfeld, erhöhter Wärmefluss zur Oberfläche des Planeten und folglich sowohl intensivere Erdbeben als auch verstärkte vulkanische Aktivität – all das könnte in diesem Fall auf den besonderen Zustand des etwaigen Kernmaterials Gestein zurückgeführt werden, der von den Extrembedingungen im Inneren des Gasgiganten herrührt.

Diese Arbeit ist auf den jüngsten Arbeiten zu den innersten Schichten der Erde aufgebaut und repräsentiert einen weiteren Schritt hin zu einem besseren Verständnis darüber, wie alle Planeten zu ihren charakteristischen Merkmalen gelangen. Schon in ihrer vorherigen Arbeit ging es nämlich um das Innere eines Planeten. Dabei behandelte das Forscherteam um Wentzcovitch die sogenannte D“-Schicht unserer Erde, der Übergangszone zwischen Erdmantel und -kern.

Diese null bis 186 Kilometer breite Schicht umgibt also den Eisenkern unseres Planeten und liegt gleichzeitig unter dessen Mantel, der hauptsächlich aus dem Mineral Perovskit (Eisen- und Magnesium-haltiges Silikatgestein) besteht. Die Forscher fanden heraus, dass sich jene Perovskit-Kristalle in der D“-Schicht unter dem großen Druck und den hohen Temperaturen im Inneren der Erde mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit in das erst kürzlich entdeckte Mineral „MgSiO3 Post-Perovskit“ auflöst, und letzteres also der bis dahin vergeblich gesuchte Hauptbestandteil des untersten Erdmantels (also der D“-Schicht) ist.

In der neuen Arbeit versuchten sich die Wissenschaftler an den Kernen der Riesen unseres Sonnenystems – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – sowie an zwei weiteren Kandidaten, repräsentiert durch zwei erst kürzlich entdeckte extrasolare Planeten. Einer jener Exoplaneten, den sie auch gerne „Super-Earth“ (also „Riesen-Erde“) nennen, ist etwa 7 bis 8 Mal massereicher als unsere Erde und umrundet einen 15 Lichtjahre entfernten Stern in der Konstellation Aquarius (Wassermann). Der andere, „Dichter Saturn“, wie sie ihn nennen, unterscheidet sich in seiner Masse nur minimal vom Saturn, der die Erde in ihrer Masse um das 95,16-fache übertrifft, und umkreist einen circa 257 Lichtjahre entfernten Stern im Sternbild Herkules.

Die Wissenschaftler errechneten, was geschieht, wenn Material wie Post-Perovskit, das – wie gesagt – Hauptbestandteil des Erdmantels und daher ziemlich stabil ist, den extremen Verhältnissen im Inneren der Kerne der Gasgiganten Jupiter, Saturn und den beiden riesigen Exoplaneten, ausgesetzt ist, wo der Druck 10 Millionen Bar erreichen kann (ein Bar entspricht dem Atmosphärendruck auf der Erde bei NN) und die auf Temperaturen bis zu 10000°C ansteigen. Das Ergebnis spricht eine eindeutige Sprache: sogar Post-Perovskit könnte solchen Bedingungen nicht standhalten. Die Kristalle des Stoffes würden sich in zwei neue Formen von Kristall auflösen. Als das Forscherteam den Fokus auf eines dieser (theoretisch) entstehenden Kristalle legte, entdeckte es, dass sich diese fast wie Metalle verhalten würden. Das heißt, die Elektronen in diesen Kristallen wären sehr beweglich und in der Lage, elektrischen Strom zu tragen. Dies hätte den Effekt, dass das Magnetfeld des Planeten, wenn er denn eines besitzt, allein durch jene Vorgänge in dessen Kern gestärkt und aufrecht erhalten werden könnte. Die Tatsache, dass etwaiges Kernmaterial Stein bei den Druck- und Temperaturverhältnissen, wie sie bei Gasgiganten wie Jupiter und Saturn anzutreffen sind, in Formen mit elektrischer- und Wärmeleitfähigkeit übergehen, könnte erstmals eine plausible Erklärung für die überraschend gewaltigen Magnetfelder um Gasgiganten wie eben Jupiter und Saturn liefern. Die erhöhte elektrische Aktivität hätte ebenso zur Folge, dass Energie vom Planeteninneren bis hoch an die Oberfläche strömt, was wiederum vulkanische Aktivität genauso wie Erdbeben zur Folge hätte. Der Effekt wäre wegen der Massenunterschiede der zwei Exoplaneten bei „Dense Saturn“ logischerweise wesentlich größer als bei „Super-Earth“.

„Das Innere der Eisgiganten Uranus und Neptun beherbergt keine solchen Extreme von Temperatur und Druck, und daher würde Post-Perovskit in ihren Kernen bestehen können.“, sagte Renata Wentzcovitch. „Wir wollen verstehen, wie sich Planeten formten, wie sie sich entwickelten und wie sie heute sind. Wir müssen verstehen, wie sich ihr Inneres unter diesen extremen Druck- und Temperaturverhältnissen verhält. Nur dann wird es möglich sein, sie zu modellieren. […] Wir werden die Erde besser verstehen, wenn wir sie im Kontext einer Vielfalt verschiedener Planetentypen betrachten können.“