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Astronomie+Physik

Die verborgenen Tiefen des Jupiter

Jupiter und Juno
Daten der Raumsonde Juno haben neue Einsichten in das Innere des Jupiter geliefert (Grafik: NASA/JPL-Caltech)

Der Jupiter ist nicht nur der größte Planet in unserem Sonnensystem, er birgt auch noch immer viele Geheimnisse. Jetzt liefern Daten der NASA-Raumsonde Juno erstmals einen indirekten Blick tief in das Innenleben des Gasriesen. Sie enthüllen unter anderem, dass die rasenden Windbänder von Jupiters Gashülle bis zu 3000 Kilometer weit in die Tiefe reichen. Darunter ist der Druck so hoch, dass Wasserstoff und Helium flüssig sind und wie ein fester Kern rotieren.

Schon Galileo Galilei könnte die auffallenden Sturmbänder des Jupiter gesehen haben, denn die Atmosphäre des Gasriesen ist in permanentem Aufruhr. Bänder rasender Winde, die in verschiedenen Breiten und teilweise entgegengesetzten Richtungen um den Planeten ziehen, bilden ein Hell-Dunkelmuster, das das Aussehen des Planeten prägt. Die Geschwindigkeiten dieser mächtigen Jetstreams können sich um bis zu 100 Meter pro Sekunde unterscheiden. Was genau sie jedoch antreibt und wie weit sie ins Innere des Gasplaneten hineinreichen, war bisher unbekannt. Kein Wunder: Der Druck unter der Wolkendecke des Jupiter ist so gewaltig, dass im Jahr 1995 eine im Rahmen der Galileo-Mission der NASA ausgesetzte Probensonde bereits gut hundert Kilometer nach Eintritt in die Jupiteratmosphäre zerquetscht wurde. Direkte Blicke oder Messungen des Planeteninneren bleiben uns damit vorerst verwehrt.

Asymmetrisches Schwerefeld

Doch die seit Juli 2016 um den Gasriesen kreisende NASA-Raumsonde Juno hat nun neue Möglichkeiten der Jupitererkundung eröffnet. Im Rahmen des Juno Gravity Experiments haben Forscher das sich ändernde Flugtempo der Sonde genutzt, um die Anziehungskraft des Jupiter und damit sein Schwerefeld zu vermessen. Dafür ermittelten sie, ob und wie stark ein zur Sonde und zurück geschicktes Radiosignal durch den Doppler-Effekt verzerrt wurde. „Die Juno-Sonde ist die erste Weltraumission, die das Ka-Band-Radiosystem für die Planetengeodäsie nutzt“, berichten Luciano Iess von der Sapienza Universität Rom und seine Kollegen.

Das Ergebnis sorgte für Überraschung: „Modelle der Jupiterstruktur sagen voraus, dass die Schwerkraft des Planeten von einer Komponente dominiert wird, die sowohl in Bezug auf die Hemisphären als auch auf die Achse symmetrisch ist“, sagen die Forscher. „Doch die Juno-Daten haben nun Belege dafür geliefert, dass es Nord-Süd-Asymmetrien im Schwerefeld des Gasriesen gibt.“ Für einen schnellrotierenden Gasplaneten wie Jupiter ist eine solche Asymmetrie eher ungewöhnlich, denn sie deutet darauf hin, dass es auch tief unter der Oberfläche dynamische und voneinander abweichende Strömungen geben muss, wie Iess und seine Kollegen erklären. Die Windbänder des Jupiter können demnach kein rein oberflächliches Phänomen sein, wie es eine der gängigen Theorien postuliert.

Tiefe Strömungen und feste Flüssigkeiten

Was es mit den tiefen Strömungen des Jupiter auf sich hat, haben zwei weitere Forschungsteams genauer untersucht. Yohai Kaspi vom Weizmann Institute of Science in Rehovot und seine Kollegen analysierten dafür bestimmte Merkmale in den asymmetrischen Schwerefelddaten von Juno, die verraten können, wie tief die rasenden Windströmungen in die Gashülle des Jupiter hineinreichen. Das Ergebnis bestätigt, dass die Windbänder keineswegs nur ein oberflächliches Phänomen sind: „Die Jetstreams reichen von der Oberseite der Wolkendecke bis in eine Tiefe von rund 3000 Kilometern“, so die Forscher. Wie sie ausrechneten, bewegt sich in diesen Winden damit rund ein Prozent der gewaltigen Masse des Planeten.

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Bestätigt wird diese Tiefenschätzung durch die Analysen des Teams um Tristan Guillot von der Universität der Côte d’Azur in Nizza. Sie hatten die symmetrische Komponente der Juno-Schwerefelddaten nach Hinweisen auf die Beschaffenheit und Dynamik des Planeteninneren durchsucht. Auch diese Daten sprechen für zonale Gasströmungen bis in rund 3000 Kilometer Tiefe. Darunter jedoch hört die differenzielle Rotation der Gase auf, wie die Forscher herausfanden. Denn dort beginnt die Zone, in der Wasserstoff und Helium wegen des hohen Drucks flüssig sind. Das überraschende daran: Dieser Bereich rotiert offenbar nicht wie eine Flüssigkeit, sondern verhält sich stattdessen wie ein Festkörper. „In dieser Tiefe werden die Leitfähigkeit und die daraus resultierende magnetische Bremswirkung so stark, dass sie die Flüssigkeitsbewegung in eine Festkörper-Rotation zwingen“, erklären Guillot und seine Kollegen.

Diese neuen Erkenntnisse über das Innenleben des Jupiter werfen ein ganz neues Licht auf die Vorgänge im Inneren von Gasriesen. Dies ist nicht nur wichtig und spannend, um die Gasplaneten in unserem eigenen Sonnensystem besser zu verstehen. Es hilft auch bei der Erforschung der vielen Gasriesen, die um fremde Sterne kreisen.

Quellen: Luciano Iess (Sapienza Università di Roma) et al., Nature, doi: 10.1038/nature25776; Yohai Kaspi (Weizmann Institute of Science, Rehovot) et al., Nature, doi: 10.1038/nature25793; Tristan Guillot (Université Côte d’Azur, Nizza) et al., Nature, doi: 10.1038/nature25775

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