Helium-Regen und ausgefranster Kern

Burkhard Militzer und sein Team von der University of California in Berkeley haben jetzt aus Junos Bahndaten den inneren Aufbau des Riesenplaneten neu berechnet. Das Ergebnis: Im Zentrum gibt es einen Gesteinskern, der 7 bis 25 Mal so schwer ist wie die Erde. Dasselbe Verfahren haben die Theoretiker auf die Bahndaten der Raumsonde Cassini angewandt. Sie umkreiste von 2004 bis 2017 Saturn und wurde zum Missionsende gezielt in dessen Atmosphäre zum Absturz gebracht. Den Daten der Sonde zufolge verbirgt sich im Zentrum des Ringplaneten ein dichter Kern mit 15 bis 18 Erdmassen.

Junos Bahndaten deuten zudem auf ein merkwürdiges Phänomen hin: Jupiters Kern besitzt möglicherweise keinen fest definierten Rand, sondern die Grenze ist diffus, und das Gestein mischt sich mit dem in dieser Tiefe metallisch leitenden Wasserstoff. Diese Mischphase könnte sich bis zur Hälfte des Radius erstrecken. Die neuen Erkenntnisse stimmen mit den gängigen Vorstellungen zur Planetenentstehung überein: Demnach sind die zum Protojupiter fliegenden Gesteinsbrocken teilweise verdampft und haben sich mit dem Wasserstoff und Helium vermischt, statt in einen klar definierten Kern zu sinken.

Ausflockendes Helium

Die Modelle über das Innere der Gasplaneten hängen stark von den Annahmen zu den Eigenschaften von Wasserstoff und Helium unter extremen Bedingungen ab, wie sie in den Tiefen von Jupiter und Saturn herrschen. So wurde vorhergesagt, dass bei bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen Helium „ausflockt“ und als eine Art Regen zum Planetenzentrum absinkt. Doch dafür fehlten bislang experimentelle Daten. Diese lieferte jüngst ein Team um Stephanie Brygoo und Paul Loubeyre vom Commissariat à l’Énergie Atomique im französischen Bruyères-le-Châtel.

Dazu sperrten sie in ein winziges Spezialgefäß, eine sogenannte Stempelzelle, ein Wasserstoff-Helium-Gemisch ein, das sie bis auf 40.000 Atmosphären verdichteten. Dann feuerten sie durch ein kleines Diamantfenster einen intensiven Laserstrahl in die Mikrokammer, der das Gas für den Bruchteil einer Sekunde schlagartig auf 1,8 Millionen Atmosphären komprimierte. Dieses Experiment zeigte, dass das vermutete Helium-Ausflocken bei einem Druck ab einer Million Atmosphären und einer Temperatur von 5000 Grad Celsius beginnt. „Die Wasserstoff-Helium-Trennung findet im Inneren des Jupiter statt und zwar über etwa 15 Prozent des Radius“, schließen die französischen Forscher daraus. Derselbe Vorgang spielt sich wahrscheinlich im Innern Saturns ab.

Versuche für Uranus und Neptun

Hochdruckexperimente haben auch neue Erkenntnisse über die Zentren der beiden äußersten Planeten Uranus und Neptun geliefert. Diese Planeten sind wesentlich leichter und kälter als Jupiter und Saturn. Bei Uranus vermutet man unter der Atmosphäre einen Ozean aus Wasser, Methan und Ammoniak, der einen kleinen Kern umschließt.

Ein internationales Team um Taehyun Kim von der Yonsei-Universität in Südkorea hat die beiden häufigen Mineraltypen Olivin und Ferroperiklas zusammen mit Wasser in einer Stempelzelle untersucht. Das Ergebnis: Bei Drücken oberhalb von 200.000 Atmosphären und einer Temperatur über 1230 Grad Celsius entweicht Magnesiumoxid aus dem Mineral und löst sich im Wasser. „Bei diesen extremen Bedingungen erreicht die Löslichkeit von Magnesiumoxid in Wasser ähnliche Werte wie die von Salz in irdischen Ozeanen“, sagt der am Experiment beteiligte Physiker Sergio Speciale vom Geoforschungszentrum Potsdam. Auch andere Stoffe aus den Mineralien könnten in das Wasser übergehen, zum Beispiel Silizium-Verbindungen.

Ein mit Mineralien angereicherter Ozean verändert die Eigenschaften eines Planeten – zum Beispiel kann sich das Auskühlen des Kerns verzögern. Diese Möglichkeit müssen künftig auch Astronomen in Betracht ziehen, die extrasolare Planeten studieren: „Wasserwelten“ vom Typ Uranus und Neptun machen derzeit einen großen Teil der bekannten Exoplaneten aus.