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Mittwoch, 26.07.2017
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Jupiterkern doppelt so groß wie gedacht

Simulation enthüllt Details über Kernaufbau des Gasriesen

Auch der Gasriese Jupiter hat einen Kern aus festem Gestein. Anhand neuer Computermodelle haben Geophysiker jetzt festgestellt, dass dieser Steinkern sogar mehr als doppelt so groß ist wie vorher angenommen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal Letters“ berichten, besitzt er die 14- bis 18-fache Erdmasse.
Jupiter

Jupiter

Der Gasriese Jupiter birgt in seinem Inneren einen festen Kern. Wie dieser jedoch beschaffen ist und wie groß er ist, lässt sich nicht direkt durch Messungen ermitteln. Hier sind Planetenforscher und Geophysiker auf indirekte Schlüsse und Computersimulationen angewiesen. Bisher postulierten die aktuellen Modelle einen Kern von etwa der siebenfachen Erdmasse, doch damit liegen sie vermutlich deutlich zu niedrig, wie jetzt ein Forscherteam herausfand.

Planeteninneres als Struktur aus Miniwürfeln


Die Wissenschaftler um Burkhard Militzer, Professor für Geowissen und Planetenforschung an der Universität von Kalifornien in Berkeley und William B. Hubbard, Professor für Planetenforschung am Lunar and Planetary Laboratory in Tucson, Arizona, modellierten das Innere des Gasriesen als Ansammlung von winzigen Würfeln mit jeweils 110 Wasserstoffatomen und neun Heliumatomen in seinem Inneren. Das Verhältnis der beiden Atomsorten entspricht dem an der Jupiteroberfläche gemessenen, die Würfel wurden je nach Lage im virtuellen Planeten entsprechendem Druck und Temperaturen ausgesetzt.

Bei der Auswertung der zwischen einem und sieben Tagen dauernden Einzelsimulationen zeigte sich, dass der Wasserstoff bei dem sehr hohem Druck und Temperaturen, wie sie im Inneren des
Planeten herrschen, vom molekularen in den metallischen, leitfähigen Zustand übergeht. Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Modelle geschieht dieser Übergang offenbar graduell, ohne scharfe Grenze.


Gesteinskern

Gesteinskern

Kern von 14 bis 18 Erdmassen


Die Wissenschaftler bezogen im nächsten Schritt ihre Simulationsergebnisse auf die bekannte Masse, den Radius, die Oberflächentemperatur und die Schwerkraft des Jupiter und erstellten daraus ein neues Modell seines inneren Aufbaus. Daraus ergibt sich, dass der feste Kern des Gasriesen ein erdähnlicher Brocken von ungefähr der 14- bis 18-fachen Erdmasse ist – dies entspricht in etwa einem 20stel der gesamten Jupitermasse. Damit wäre der Kern mehr als doppelt so groß wie nach den bisherigen Berechnungen.

Eis im Kern konzentriert


Die Simulation deutet zudem darauf hin, dass der Kern aus Schichten von Metallen, Gestein und Eis aufgebaut ist, während die Atmosphäre darüber vorwiegend aus Wasserstoff und Helium besteht. „Unsere Simulationen zeigen, dass es ein großes steiniges Objekt in Zentrum gibt, umgeben von einer Eisschicht. Anderswo gibt es dagegen kaum Eis“, erklärt Militzer. „Das ist ein Ergebnis für die innere Struktur des Jupiter, das sich sehr von anderen aktuellen Modellen unterscheidet, die einen relativ kleinen oder kaum einen Kern prognostizieren und eine Mischung von Eis in der gesamten Atmosphäre.“

Im Zentrum des Gesteinskerns sitzt vermutlich ähnlich wie bei der Erde ein innerer Metallkern. „Im Prinzip ähnelt der Jupiter dem Saturn mit einem Neptun oder Uranus in seinem Zentrum.“ Beide Planeten gelten als „Eisriesen“ weil ihr steiniger Kern von gefrorenem Wasser und Helium umgeben ist.

Auch Jupiter entstand durch Akkretion von Gesteinsmaterial


Die neuen Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die Sicht der Planetenentstehung: Der große steinige Kern deutet darauf hin, dass sich auch Jupiter und die anderen Gasplaneten durch Kollisionen von kleineren Gesteinsbrocken bildeten und dass die Kerne dann eine gewaltige Atmosphäre anzogen. „Nach dem Kernakkretionsmodell entstanden alle Kerne durch allmähliche Ansammlung von Planetesimalen“, so Militzer. „Wenn das stimmt, dann sollten die Planeten relativ große Kerne besitzen, was in unserer Simulation auch bestätigt wird. Es ist schwerer, einen Planeten mit einem sehr kleinen Kern entstehen zu lassen.“

Das neue Modell postuliert auch, dass sich die meisten Methan- und Wassereise in den äußeren Schichten des Kerns befinden, nur ein sehr geringer Teil davon in der Atmosphäre, die immerhin 95 Prozent der Masse des Planeten ausmacht. Den Anteil der Eisschicht kalkulierten die Forscher auf ungefähr vier Erdmassen oder einem Prozent der Gesamtmasse des Planeten. „Jupiter bildete sich jenseits der Eisgrenze und sammelte daher neben dem Gesteinsmaterial auch Eis bei seiner Entstehung an“, so Militzer. „Als Ergebnis ist das Eis ein Teil des Kerns und nicht in der Umhüllung.“

Die Forscher planen nun, ihr neues Modell auch zur Simulation des Innenlebens anderer Planeten zu nutzen. Ob die Berechnungen der Realität entsprechen, wird sich spätestens im Jahr 2016 herausstellen, wenn die NASA-Sonde Juno, die im Jahr 2011 starten soll, den Jupiter erreicht. Sie wird dort vor allem das Magnetfeld und die Schwerkraft des Planeten genauer messen.
(University of California, Berkeley, 02.12.2008 - NPO)
 
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