(NASA/ESA, A. Simon/GSFC/M.H. Wong/University of California, Berkeley/OPAL-Team) Was steckt in einem Gasriesen?
Nicht wirklich. Die Innenräume von Jupiter und Saturn sind eigentlich ziemlich schwer zu erforschen. Aber das einzigartig prächtige und ausgedehnte Ringsystem des Saturn erweist sich als hervorragendes Werkzeug, um die Dichten tief unter seinen dicken Wolkenschichten bis hin zum Kern herauszufinden.
Laut einer neuen Analyse der „Wackelbewegungen“ im innersten Hauptring des Saturn handelt es sich bei diesem Kern wahrscheinlich nicht um eine dichte Kugel aus Nickel und Eisen. wie viele denken , aber eine „unscharfe“ Region, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, mit einer allmählichen Vermischung schwererer Elemente, die sich über 60 Prozent des Planetenradius erstreckt und etwa 17 Erdmassen aus Eis und Gestein enthält.
Diese Feststellung, veröffentlicht in Naturastronomie , ist ähnlich wie Neue Erkenntnisse über das Innere des Jupiter basierend auf Juno-Daten, und es könnte unsere Annahmen über die frühe Struktur und Entstehungsgeschichte des Saturn ändern.
„Die unscharfen Kerne sind wie ein Schlamm“ sagte der Planetenforscher und Hauptautor der Studie, Christopher Mankovich von Caltech.
„Das Wasserstoff- und Heliumgas auf dem Planeten vermischt sich allmählich mit immer mehr Eis und Gestein, während man sich dem Planetenzentrum nähert.“ „Es ist ein bisschen wie in Teilen der Ozeane der Erde, wo der Salzgehalt mit zunehmender Tiefe zunimmt und eine stabile Konfiguration entsteht.“
Wie der Kern aussehen könnte. (Caltech/R. Hurt, IPAC)
Wie können wir das aus den Saturnringen lernen? Es hat alles damit zu tun, wie das Grollen im Bauch des Saturn das äußere Gravitationsfeld des Planeten beeinflusst.
„Wir nutzten die Saturnringe wie einen riesigen Seismographen, um Schwingungen im Inneren des Planeten zu messen.“ sagte Co-Autor und Caltech-Astrophysiker Jim Fuller. „Dies ist das erste Mal, dass wir die Struktur eines Gasriesenplaneten seismisch untersuchen konnten, und die Ergebnisse waren ziemlich überraschend.“
Akustische Wellen und Schwingungen im Inneren kosmischer Körper sind ein hervorragendes Werkzeug zur Erforschung ihrer inneren Struktur.
Wir tun es hier auf der Erde, wo Erdbeben ähnliche Wellen durch den Planeten schicken; wie diese Wellen da drin herumschwirren können offenbaren unterschiedliche Dichten Dies ermöglicht es uns, Strukturen zu identifizieren, die wir nie zu sehen hoffen würden.
Auf der Sonne und anderen Sternen manifestieren sich innere akustische Wellen als Helligkeitsschwankungen.
Saturn ist kein Ort für ein Seismometer und er unterliegt keinen Helligkeitsschwankungen, aber vor einigen Jahren , bemerkten Wissenschaftler Signaturmuster im C-Ring des Saturn, dem innersten seiner Hauptringe.
Sie kamen zu dem Schluss, dass es unwahrscheinlich sei, dass diese von den Saturnmonden erzeugt würden, da solche Muster in den äußeren Ringen zu finden seien; Stattdessen scheinen sie durch Schwingungen tief im Planeteninneren erzeugt zu werden, die das Gravitationsfeld beeinflussen.
Wie sich innere Schwingungen auf die Saturnringe auswirken sollten. (Matthew Hedman/Universität Idaho)
So entstand das Gebiet der Kronoseismologie: die Untersuchung des Inneren des Saturn durch die Analyse dieser Wellen im C-Ring.
Jetzt hat das Caltech-Team eine neue Analyse einer zuvor charakterisierten inneren C-Ringwelle durchgeführt, deren Frequenz viel niedriger war als vom etablierten Saturn-Innenmodell erwartet. Sie fanden heraus, dass dieses Frequenzmuster der inneren Zusammensetzung des Saturn eine strenge neue Beschränkung auferlegt.
„Unsere Modelle legen strenge Beschränkungen hinsichtlich der Masse und Größe des Schwerelementkerns des Saturn fest, auch wenn die verdünnte Natur dieses Kerns eine differenziertere Beschreibung erfordert als in herkömmlichen Schichtmodellen.“ Sie schreiben in ihre Arbeit .
Basierend auf diesen Einschränkungen folgerten sie, dass die Masse des Kerns etwa das 55-fache der Masse der Erde beträgt und 17 Erdmassen an Gestein und Eis enthält.
Der Rest wäre überwiegend Wasserstoff und Helium; Das Ganze ist eher diffus und allmählich gemischt, als dass es sich um eine streng abgegrenzte Schichtung handelt, mit einer dichteren Konzentration schwererer Elemente im Zentrum.
Dies stellt eine gewisse Herausforderung für Planetenentstehungsmodelle dar. Es wird angenommen, dass sich Planeten aus einem von unten nach oben gerichteten Kieselstein-Akkretionsmodell bilden, bei dem kleine Gesteinsbrocken elektrostatisch miteinander verbunden werden, bis der Planeten-„Samen“ groß genug ist, um durch die Schwerkraft immer mehr Material anzuziehen – und schließlich einen Planeten bildet.
Bei Gasriesen wie Jupiter und Saturn ging man davon aus, dass schwereres Material zum Zentrum hin absinkt, einen festen Kern bildet und das Gas geringerer Dichte in die äußeren Regionen aufsteigen lässt.
Neuere Modelle lassen mehr vermuten schrittweise Verteilung des Materials ; oder es ist möglich, dass konvektives Mischen führt zu einer allmählicheren Verteilung.
Dennoch hat die Modellierung von Bildungspfaden für einen Fuzzy-Kern funktioniert erwies sich als herausfordernd , und es ist wahrscheinlich, dass komplexere wissenschaftliche Versuche erforderlich sein werden, um vollständig zu verstehen, wie es passieren kann.
Das könnte jedoch bedeuten, dass man das Pferd ein wenig von hinten aufzäumt. Die neue Studie basiert auf einer C-Ringwelle. Etwas mehr Kronoseismologie würde helfen, die Interpretation eines unscharfen Saturnkerns zu bestätigen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturastronomie .
Eine frühere Version dieses Artikels wurde im Mai 2021 veröffentlicht.