Jupiters gewaltsame Jugend

Die Schweizer Forscher stellen sich eine Entstehung in drei Etappen vor:

Verzögertes Wachstum

Wieso dauerte es zwei Millionen Jahre, bis Jupiter von 20 auf 50 Erdmassen angewachsen war? Das fragte sich die Mitautorin der Berner Studie Julia Venturini. Ihr erschien das viel zu lange. Durch Berechnungen fanden sie und ihre Kollegen schließlich den Grund für das verzögerte Wachstum: Während der zweiten Phase lieferten die Kollisionen mit den kilometergroßen Brocken reichlich Energie, durch die sich die Gasatmosphäre des jungen Jupiter stark aufheizte. Das verhinderte eine Abkühlung, die eine Kontraktion und eine weitere Gasanreicherung ermöglicht hätte. „Die Wärme, die von den Planetesimalen geliefert wurde, verzögerte die Gasanreicherung entscheidend“, ist Venturini überzeugt.

Nachdem Jupiter die Wachstumsbremse überwunden hatte, begann eine gewaltsame Phase im Sonnensystem: Die Kollisionen wurden heftiger, viel größere Himmelskörper krachten aufeinander. Auch Jupiter war davon betroffen – das legen die Simulationsrechnungen von Shang-Fei Liu von der chinesischen Universität Sun Yat-sen nahe, die er zusammen mit Kollegen aus den USA, Japan und der Schweiz letztes Jahr in der Zeitschrift Nature publizierte.

Die Forscher stützen sich auf Messungen der NASA-Sonde Juno. Sie ist die jüngste von neun Raumsonden, die seit 1979 Jupiter erreichten. Seit dem Sommer 2016 umrundet Juno den Riesenplaneten auf einer langgestreckten Ellipse (bild der wissenschaft 10/2018, „Auf Tuchfühlung mit dem Riesen“). Die Sonde benötigt dafür 53 Tage. Bereits 28 Mal ist sie ihm dabei inzwischen nahegekommen – teils trennten sie nur 3404 Kilometer von den wirbelnden Wolken, die Jupiters sichtbare Oberfläche bilden.

Es ist schon lange bekannt, dass es darunter keine feste Oberfläche gibt. Juno erkundet vor allem das Innenleben des gigantischen Gasballs durch genaue Messungen des Schwerefelds. Die bisherigen Resultate haben die Forscher veranlasst, ihre Vorstellungen vom zentralen Kern Jupiters zu revidieren: Zwar enthält er zwischen 7 und 25 Erdmassen an schweren Elementen, doch er ist größer und weniger dicht als erwartet. Zudem hat er eine seltsame Eigenschaft: „Er ist verschwommen“, sagt Ravit Helled. Die Astrophysikerin an der Universität Zürich gehört zum Team der Juno-Mission. „Das bedeutet, dass der Kern wahrscheinlich nicht nur aus Gestein und Eis besteht, sondern mit Wasserstoff und Helium vermischt ist, und dass es einen allmählichen Übergang zwischen Kern und Hülle gibt.“ Jupiters Kern hat also keine scharfe Außengrenze.

Das war offenbar nicht immer so. Ursprünglich gab es einen soliden Kern, der dann bei einem Crash mit einem anderen Urplaneten zerschmettert wurde. Solche Kollisionen waren im frühen Sonnensystem nicht selten. Sogar die Erde musste einen derartigen Schlag verkraften – die ins All geschleuderten Trümmer bildeten den Rohstoff für unseren Mond (bild der wissenschaft 3/2013, „Der schlimmste Tag der Erde“).

Doch der Planeten-Crash, den Liu im Computer nachstellte, war viel heftiger: Das himmlische Projektil, das Jupiter traf, hatte ungleich mehr Masse als das Geschoss, das vor der Geburt des Erdmondes die Erde erschütterte.

„Das ist eine plausible Annahme. Fernab der Sonne trafen massereichere Körper aufeinander als im inneren Sonnensystem, wo später die Erde entstand“, kommentiert Hubert Klahr, der an der Publikation nicht beteiligt war. Klahr forscht am Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie über Planetenbildung. Er weist allerdings auch auf andere Möglichkeiten hin, wie Gasplaneten entstehen können.

Die Gravitation fördert frontale Crashs

Aufgrund von Jupiters enormer Schwerkraft favorisiert Lius Szenario frontale Kollisionen und nicht glimpflichere „Streifschüsse“. Die Rechnungen ergaben außerdem, dass nur ein Körper mit mindestens zehn Erdmassen – also 100 Mal so massereich wie der Brocken, der zur Entstehung des Mondes führte – die äußere Gashülle durchstoßen und bis zu Jupiters Kern vordringen konnte. Kleinere planetare Geschosse wären im dichten Gas der Hülle zerbrochen. Doch der massive Impaktor schaffte es bis zum Zentrum.

Der Aufprall hatte enorme Folgen für Jupiters Kern: Er wurde zerschmettert, und seine Fragmente vermischten sich mit der Materie aus der gasförmigen Hülle. „Es ist das einzige Szenario, das das Dichteprofil des Kerns so reproduziert, wie es die Juno-Sonde gemessen hat“, sagt Liu.

Aber hat der Kern in dieser Form bis heute überdauert? Der Physiker Simon Müller von der Universität Zürich stellte sich diese Frage in seiner Doktorarbeit. Er verwendete die Resultate der Kollisions-simulation als Ausgangsbedingung, um Jupiters Evolution im Lauf der Jahrmilliarden zu berechnen.

Zu klären ist vor allem, wie sich der Wärmetransport und die Vermischung der schweren Elemente im Innern des Planeten entwickelten. Müller fand heraus: Als Folge des Crashs betrug die Kerntemperatur rund 30.000 Grad Celsius – zum Vergleich: Die Sonnenoberfläche kommt nur auf 5500 Grad.

Die Rechnungen zeigen, dass es durchaus Lösungen gibt, bei denen der verschwommene Kern bis heute existiert. Das spreche dafür, dass der große Einschlag tatsächlich stattgefunden hat, resümiert Ravit Helled. „Es scheint, dass solche heftigen Einschläge im jungen Sonnensystem sehr häufig waren und dass sie eine wichtige Rolle bei der Bildung der Planeten spielten – nicht nur bei Jupiter.“

Hinweise auf mächtige Kollisionen

Ob das tiefe Innere der anderen Gasplaneten ähnliche Eigenschaften hat, wird noch untersucht. Ein Indiz für gewaltige Kollisionen sehen die Astronomen zum Beispiel in der Neigung der planetaren Rotationsachsen gegen die Ebenen ihrer jeweiligen Umlaufbahn. Bei der Erde ist dieser Winkel mit 23,4 Grad relativ klein, bei Uranus mit 98 Grad dagegen besonders groß.

Als nächstes haben die Forscher den Saturn im Blick. Für ihn liegen genaue Schwerefeld-Daten vor, gewonnen von der Cassini-Sonde auf ihren finalen Orbits, bevor sie im September 2017 planmäßig in den Ringplaneten stürzte. Die Messungen werden zurzeit ausgewertet.