Wissenschaftler untersuchen die Struktur der äußersten Planeten unseres Sonnensystems, Uranus und Neptun
Eine Gruppe von Forschern überprüft unser Verständnis vom Inneren der äußersten Planeten des Sonnensystems: Uranus und Neptun. Sind sie eisige Planeten (wie allgemein angenommen), felsig oder haben sie eine gemischte Struktur?
Ein Team von Forschern der Universität Zürich und des NCCR Planets stellt unser Verständnis vom Inneren der Planeten unseres Sonnensystems infrage. Die Zusammensetzung von Uranus und Neptun, den beiden äußersten Planeten, könnte felsiger und weniger eisig sein als bisher angenommen.
Arten von Planeten in unserem Sonnensystem
Die Planeten des Sonnensystems werden in der Regel entsprechend ihrer Zusammensetzung in drei Kategorien unterteilt: die vier felsigen terrestrischen Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars), gefolgt von den zwei Gasriesen (Jupiter und Saturn) und schließlich den zwei Eisriesen (Uranus und Neptun).
Die neue Studie behauptet nicht, dass die beiden blauen Planeten entweder wasser- oder gesteinsreich sind, sondern stellt in Frage, ob eine hohe Eisanteils die einzige Möglichkeit ist. Diese Interpretation steht auch im Einklang mit der Entdeckung, dass der Zwergplanet Pluto überwiegend aus Gestein besteht.
Das Team entwickelte einen einzigartigen Simulationsprozess für das Innere von Uranus und Neptun. „Die Klassifizierung der Eisriesen ist zu vereinfacht, da Uranus und Neptun noch immer kaum verstanden sind“, erklärt Luca Morf, Doktorand an der Universität Zürich und Hauptautor der Studie. Physikalische Modelle stützten sich zu sehr auf Annahmen, während empirische Modelle zu vereinfacht waren. „Wir haben beide Ansätze kombiniert, um Innenmodelle zu erhalten, die sowohl ‚agnostisch‘ oder unvoreingenommen als auch physikalisch konsistent sind.“ Dazu beginnen sie mit einem zufälligen Dichteprofil für das Innere des Planeten. Anschließend berechnen sie das planetarische Gravitationsfeld, das mit den Beobachtungsdaten übereinstimmt, und leiten daraus eine mögliche Zusammensetzung ab. Schließlich wird der Prozess wiederholt, um die bestmögliche Übereinstimmung zwischen den Modellen und den Beobachtungsdaten zu erzielen.
Eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten
Mit ihrem neuen agnostischen, aber vollständig physikalischen Modell fand das Team der Universität Zürich heraus, dass die mögliche innere Zusammensetzung der „Eisriesen“ unseres Sonnensystems nicht auf Eis allein (typischerweise durch Wasser repräsentiert) beschränkt ist. „Das haben wir vor fast 15 Jahren erstmals vermutet, und jetzt haben wir den numerischen Rahmen, um es zu beweisen“, verrät Ravit Helled, Professor an der Universität Zürich und Leiter des Projekts. Die neue Bandbreite der inneren Zusammensetzung zeigt, dass beide Planeten reich an Wasser oder Gestein sein könnten.
Die Studie liefert auch neue Erkenntnisse über die rätselhaften Magnetfelder von Uranus und Neptun. Während die Erde klar definierte Nord- und Südpole hat, sind die Magnetfelder von Uranus und Neptun komplexer und haben mehr als zwei Pole. „Unsere Modelle berücksichtigen die sogenannten ‚ionischen Wasserschichten‘, die an bestimmten Stellen magnetische Dynamos erzeugen, wodurch sich die beobachteten nicht-dipolaren Magnetfelder erklären lassen. Wir haben außerdem festgestellt, dass das Magnetfeld des Uranus aus einer größeren Tiefe stammt als das des Neptun“, erklärt Ravit Helled.
Die Notwendigkeit neuer Weltraummissionen
Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, aber es bleibt noch etwas Unsicherheit. „Eines der Hauptprobleme besteht darin, dass Physiker noch immer nur begrenzt verstehen, wie sich Materialien unter den ungewöhnlichen Druck- und Temperaturbedingungen im Kern eines Planeten verhalten; dies könnte unsere Ergebnisse beeinflussen“, sagt Luca Morf, der plant, die Modelle in Zukunft zu erweitern.
Trotz der Unsicherheiten eröffnen die neuen Ergebnisse auch die Möglichkeit eines potenziellen neuen Szenarios für die Zusammensetzung des Inneren, stellen jahrzehntealte Annahmen in Frage und geben die Richtung für die zukünftige Forschung in der planetaren Materialwissenschaft vor. „Sowohl Uranus als auch Neptun könnten je nach Modellannahmen entweder Gesteinsriesen oder Eisriesen sein. Die derzeitigen Daten reichen nicht aus, um zwischen ihnen zu unterscheiden, daher brauchen wir spezielle Missionen zu Uranus und Neptun, die ihre wahre Natur enthüllen können“, schließt Ravit Helled.