Das Rätsel um den Kern der Eisriesen

Von Markus Brauer

Zusammen mit Uranus bildet Neptun die Untergruppe der Eisriesen. Der riesige Gasplanet ist nach Neptun benannt, dem römischen Gott des Meeres und der Fließgewässer. Als einziger Planet des Sonnensystems ist Neptun von der Erde aus nicht mit bloßem Auge erkennbar.

Uranus ist als einziger Planet im Sonnensystem nach dem einem griechischem Himmelsgott – Uranos – benannt. Uranus ist nur unter sehr günstigen Umständen freiäugig sichtbar, im kleinen Fernglas aber schon gut zu sehen.

Exotische und unerforschte Eisriesen

Die beiden Eisriesen sind gleichermaßen exotisch wie unerforscht. Bis auf Voyager 2 ist noch keine Raumsonde näher an diese beiden Außenplaneten des Sonnensystems herangekommen.

Astronomen können deshalb nur spekulieren, was sich unter der stürmischen Gashülle von Neptun und Uranus verbirgt. Ungeklärt ist auch, warum sich das Magnetfeld von Uranus und Neptun von dem anderer Planeten fundamental unterscheidet: Es hat keine zwei Pole, sondern mindestens vier.

Vier statt zwei Pole

Das aus Nord- und Südpol bestehende Magnetfeld der Erde entsteht durch Konvektionsströmungen im flüssigen äußeren Erdkern – gemeinsam mit dem festen inneren Eisenkern wirken sie als Geo-Dynamo. Zur Info: Bei Konvektionsströmungen steigt heiße Flüssigkeit nach oben. Dort wird die Flüssigkeit nach außen verdrängt und kühlt sich dabei ab.

Ein solches Dipolfeld erfordert aber eine gewisse Mindestdicke der konvektiven Schicht. Diese scheint es bei Uranus und Neptun nicht zu geben.

„Modelle zeigen, das ein nicht-zweipoliges Magnetfeld dann entstehen kann, wenn die auslösenden Strömungen auf eine dünne, relativ weit außen liegende Schichte begrenzt sind“, erklärt Burkhard Militzer von der University of California in Berkeley. Die Studie ist im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ erschienen.

Uranus and Neptune both have a super weird magnetic field unlike anything else in the solar system. The answer might be a giant ocean of supercritical water, 5,000 miles thick, hiding inside each ice giant. Story by me in The New York Timeshttps://t.co/EpbWjCaN4H — Jonathan O’Callaghan (@Astro_Jonny) November 25, 2024

Woraus der Kern der Eisriesen besteht

Bisher weiß man, dass das Innere der beiden Planeten aus einem festen Kern und einer Mixtur aus Wassereis, Ammoniak und Methan besteht. Diese Mischung ist potenziell leitfähig und eignet sich daher als konvektiver Magnetdynamo. Doch wie es in den tieferen Schichten der Eisplaneten aussieht, ist ein Rätsel:

• Einer Theorie zufolge nimmt Wasser dort einen exotischen superionischen Zustand ein. Zur Info: Superionisches Wasser ist eine Form von Wasser (H2O), bei der der Sauerstoff ein festes Gitter bildet, während die Wasserstoffmoleküle sich frei darin bewegen können.
• Einer zweiten Theorie zufolge verursacht Diamantregen im Planeteninneren die ungeordneten Strömungen verursacht.

Info: Neptun

• Neptun ist der achte und äußerste Planet unseres Sonnensystems und befindet sich rund 30 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt. Eine astronomische Einheit entspricht dem Abstand zwischen Sonne und Erde – circa 150 Millionen Kilometer.
• Neptun wurde im Jahr 1846 aufgrund von Berechnungen aus Bahnstörungen des Uranus durch den französischen Mathematiker Urbain Le Verrier von dem deutschen Astronomen Johann Gottfried Galle entdeckt.
• Der Gasplanet und Eisriese ist durchschnittlich 4,5 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt.

Info: Uranus

• Uranus ist von der Sonne aus mit einer Entfernung von 2,9 Milliarden Kilometern der siebte Planet im Sonnensystem und wird zu den Gasplaneten Eisriesen gerechnet.
• Er wurde am 13. März 1781 von Wilhelm Herschel entdeckt und ist nach dem griechischen Himmelsgott Uranos benannt.
• Sein Durchmesser ist mit über 51.000 Kilometern etwa viermal so groß wie der Durchmesser der Erde, das Volumen ist etwa 64-mal so groß wie das der Erde.

Obere Schicht von Uranus ist flüssig

Jetzt haben die Forscher aus Berkeley eine dritte Theorie ins Spiel gebracht. Sie haben dafür Computersimulationen entworfen, die das Verhalten von Methan, Wassereis und Ammoniak unter den Bedingungen des Uranus- und Neptun-Inneren nachbilden. „Als ich mir das Modell anschaute, hatte sich das Wasser vom Kohlenstoff und Stickstoff getrennt“, erklärt Militzer.

Durch diese Trennung bilden sich mehrere nicht miteinander mischbare Schichten. Oben liegt eine beim Uranus rund 8000 Kilometer dicke, leitfähige, wasser- und ammoniakhaltige Schicht, die in Teilen flüssig oder zumindest zähflüssig sein könnte. In ihr finden konvektive Strömungen statt, die das mehrpolige Magnetfeld antreiben.

Dicke Zone mit höherem Druck

Darunter liegt eine ebenso dicke Zone aus stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen. Deren Wasserstoffgehalt nimmt mit der Tiefe und dem zunehmenden Druck ab, so dass mehrere immer dichtere Schichten dieser Kohlenstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen aufeinanderfolgen.

„Die Gradienten (der Änderungsverlauf – ob Gefälle oder Anstieg – einer Größe auf einer bestimmten Strecke, d. Red.) in Zusammensetzung und Dichte verhindern eine vertikale Strömung, so dass diese Schichten nicht nennenswert zum Magnetfeld beitragen können“, erläutert Militzer.

Physikalisch ist Uranus mit dem Neptun vergleichbar

Damit hätte man eine „gute Theorie“, warum Uranus und Neptun so exotische Magnetfelder besäßen. Und warum diese sich von denen der Erde, des Jupiter oder Saturn unterschieden. „Das Innere der Eisriesen ist wie Öl und Wasser. Diese Trennung in zwei nicht mischbare Schichten erklärt die Beobachtungen.“

Ob das Innere von Uranus und Neptun wirklich so aussieht wie in Militzers Modell, könnten Laborversuche unter Hochdruck klären helfen. Auch künftige Missionen zu den fernen Eisriesen könnten mehr Aufschluss liefern.