Jupiter - Besuch beim größten Planeten des Sonnensystems
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01|Überuns scinexx.de-DasWissensmagazin scinexx®-sprich['saineks],eineKombinationaus“science”und“next generation”-bietetalsOnlinemagazinseit1998einenumfassenden Einblick in die Welt des Wissens und der Wissenschaft. Mit einem breiten Mix aus News, Trends, Ergebnissen und Entwicklungen präsentiert scinexx.de anschaulich Informationen aus Forschung undWissenschaft. DieSchwerpunktthemenliegenindenBereichenGeowissenschaften, Biologie und Biotechnologie, Medizin, Astronomie, Physik, Technik sowie Energie- und Umweltforschung. Das Internetmagazin spricht allewissbegierigenUseran-obinBeruf,StudiumoderFreizeit. scinexx wurde 1998 als Gemeinschaftsprojekt der MMCD NEW MEDIA GmbH in Düsseldorf und des Heidelberger Springer Verlags gegründet und ist heute Teil der Konradin Mediengruppe mit dem bekannten Magazin Bild der Wissenschaft sowie den Wissensangeboten:wissen.de,wissenschaft.de,scienceblogs.de, natur.deunddamals.de. 02|Inhalt 01 02 ÜBERUNS INHALT 03 JUPITER BesuchbeimgrößtenPlanetendes Sonnensystems 04 IMPRESSUM 03|Jupiter Besuchbeimgrößten Planetendes Sonnensystems VONNADJAPODBREGAR EristderunumstritteneKönigdesSonnensystems:derJupiter.Erst seinePräsenzmachtedasSonnensystemzudem,wasesheuteist. DennochsindlängstnichtalleGeheimnissedesGasriesenerforscht. Dieam4.Juli2016amJupitereintreffendeNASA-Sonde“Juno”soll dasändern. „MORD“MITHOCHDRUCK D rsten Messungen aus der Jupiteratmosphäre Am 7. Dezember 1995 wurde der Jupiter zum Tatort eines vorsätzlichen Mordes. Das Opfer war allerdings kein Mensch, sondern ein weitgereistes Stück Technik: die TochtersondedesRaumschiffsGalileo.MotivdieservonlangerHand geplanten Tat: Die Sonde sollte in die Atmosphäre des Jupiter eindringen und so lange es ging Daten über Zusammensetzung, TemperaturenundDruckliefern. ObwohlzudiesemZeitpunktnichtvieledirekteMessungenüberdie Bedingungen unterhalb der sichtbaren Wolkenbänder existierten, warklar:DieSondekonntediesenAusflugnichtüberleben.Dennso wie im Inneren der Erde Druck und Temperatur mit zunehmender Tiefeansteigen,istdiesauchinderAtmosphäredesJupiterderFall– nurumGrößenordnungenstärker.„EineerfolgreicheProbenmission in die Jupiteratmosphäre zu bringen ist, mit Ausnahme eines Eintritt in die Sonne selbst, die größte Herausforderung im Sonnensystem“, erklärt Alvin Seiff, leitender Wissenschaftler der Probenmission später in einem Interview. Auch ihm war klar, dass selbst der Hitzeschild und die verstärkten Komponenten der Sonde ihr nicht langehelfenwürden. Eintrittindie„Hölle“ Schon beim Eintritt in die Atmosphäre flog die Sonde wie gegen eine Wand aus Gas: Von 170.000 Kilometer pro Stunde wurde sie schlagartig auf nur noch 3.000 Kilometer pro Stunde abgebremst. In diesen Sekunden wirkten bis zum NASA-SondeGalileoamJupiter©NASA 250-fachen der Erdbeschleunigung auf das Projektil ein, in der Stoßwelle entstanden Temperaturen von rund 16.000° Celsius. Der Hitzeschild aus Karbonmaterial wurde dadurch fastkomplettabgetragen. AmNullniveau–derHöhe,inderderDruckinderJupiteratmosphäre einem Bar und damit etwa dem der Erdatmosphäre bei Normalnull entspricht – begann die Sonde ihre Messungen und sank dabei immer weiter ab. 50 Kilometer unter Nullniveau registrierten ihre Instrumente gewaltige Stürme: Fallwinde, Turbulenzen und Jetstreams beschleunigten das Gas auf mehr als 500 Kilometer pro Stunde.DassdieseWindgeschwindigkeitenerreichtwerden,istkeine große Überraschung, denn die mit Teleskopen schon von der Erde sichtbaren Wolkenbänder und Flecken des Gasriesen und das WissenumseineextremschnelleRotationließendieserwarten. RätselderfehlendenEdelgase DieZusammensetzungderGashüllewar allerdingsandersalsgedacht:Zwarfand sich wie erwartet reichlich Wasserstoff – es sind fast 90 Volumenprozent in den oberenSchichten–,dazukamenSpuren von Methan, Ammoniak und einfachen organischen Verbindungen. Aber von SinkflugderGalileoProbensondeinder AtmosphäredesJupiter (Illustration)©NASA den Edelgasen Helium und Neon registrierten die Sondeninstrumente viel zu wenig. Gerade einmal rund zehn Prozent Helium und nur wenige Promille von Neon maßen sie. Das passte nicht zu den Modellen, die eine ähnliche Elementverteilung wie im ursprünglichen Sonnensystem und auch in der Sonne selbst vorhersagten. Doch statt einem Sechshundertstel der Gesamtmasse schien Neon beim Jupiter nur ein Sechstausendstel auszumachen. Die Ergebnisse ließen nur eine plausible Erklärung zu: Der Gasriese istoffenbarsehrvielwenigerhomogenaufgebautalsangenommen. Struktur und Elementverhältnisse in der Tiefe des Jupiter jedoch bliebenvorerstungeklärt. Jupiterals„Doppelgrab“ Rund eine Stunde nach EintrittindieAtmosphäreund aufeinerHöhevonrund160 Kilometern unter Nullniveau, brach der Funkkontakt zur Galileo-Probensonde endgültig ab. Die letzten Daten, die sie übermittelte, zeigen einen Druck von 22 BarundeineTemperaturvon AuchdieGalileo-Muttersondeverglüht 2003inderJupiteratmosphäre©NASA 152°C. Doch damit war die Reise der Sonde noch nicht zu Ende. NASA-Forscher gehen davon aus, dass bei ihrem weiteren Absinken zunächst der Fallschirm, dann die Aluminiumteile geschmolzen sind. EinigeStundenspäterwardieHitzeinderUmgebungderSondeso weit angestiegen, dass das Aluminium verdampfte, noch einmal vier Stunden und viele Höhenkilometer später schmolzen auch die widerstandsfähigerenTitanteile.RundzehnStundennachEintrittder Sonde in die Jupiteratmosphäre war nichts mehr von ihr übrig. Bei einem Druck von 5.000 Bar und einer Temperatur von 1.700°C waren auch die letzten Komponenten verdampft. Acht Jahre später, imSeptember2003,fandauchdieMuttersonde,derGalileo-Orbiter, ihr Ende im Herzen des Gasriesen. Nach dreimaliger Verlängerung der Missionsdauer und einer reichen Ausbeute an Daten aus dem Jupitersystem war die Sonde kaum mehr funktionsfähig und drohte, auf dem Jupitermond Europa abzustürzen. Da dort unter der Eiskruste ein Wasserozean mit möglicherweise sogar einfachen Lebenformen vermutet wird, wäre dies eine fatale Kontamination gewesen. Deshalb lenkten NASA-Techniker auch sie in die Jupiteratmosphäreundließensiedortverglühen. DASRÄTSELDESVERLORENENSTREIFENS E r Einblick in die Dynamik der Jupiteratmosphäre Die Atmosphäre des Gasriesen Jupiter ist in permanenter Aufruhr. Jetstreams, Bänder rasender Winde, in verschiedenen Breiten und teilweise entgegengesetzten Richtungen um den Planeten ziehend, bilden ein wechselndes HellDunkelmuster von ziehenden Wolken. Dunkle Flecken markieren regionale Stürme. Einige von ihnen, wie der Große Rote Fleck, scheinensokonstantundanihrerStellefestgewachsen,dasssiefast schon zu Markenzeichen und Erkennungsmerkmalen des Jupiter gewordensind. SturmexplosionenimDoppelpack Andere allerdings scheinen unbekannten Gesetzmäßigkeiten und Dynamiken zu folgen. Ende März 2007 beobachteten Astronomen weltweit ein seltenes und faszinierendes Schauspiel in der Atmosphäre des Gasriesen. Zwei extrem starke, helle Stürme bildetensichplötzlichinmittenderwirbelndenWolken–genaudort, wo der Jetstream, eine starke atmosphärische Strömung, seine höchsten Geschwindigkeiten von fast 600 Kilometern pro Stunde erreicht.Schonzweimalzuvor,1975und 1990, waren solche plötzlichen Sturmeruptionen beobachtet worden. In allen Fällen bewegten sich die Stürme annähernd mit der gleichen Geschwindigkeit und immer entstanden zweivonihnenzurgleichenZeit.Warum dassoist,istbisheutenichtgeklärt. Infrarotbildderbeiden SturmexplosionenvomMärz 2007©NASA/JPL/IRTF/Nature EinStreifenverschwindet 2010dannfolgtedasnächste rätselhafte Ereignis: Plötzlich verfärbte sich ein seit Jahren unverändertes bräunliches Strömungsband nahe dem Jupiter-Äquator strahlend AufnahmendesWeltraumteleskopsHubble von2009und2010zeigendas VerschwindendesSouthEquatorialBelt.© NASA,ESA,M.H.Wong,H.B.Hammel, JupiterImpactScienceTeam weiß. Gleichzeitig schien sich der Große Rote Fleck, der in der Nähe dieses Wolkenbands liegt, dunkler zu färben. Zwar hatten Raumsonden wie die Pluto-Sonde „New Horizons” oder die Jupitersonde Galileo bereits früher ein zwischenzeitiges Verblassen dieses so genannten South Equatorial Beltbeobachtet,einsoeklatanterWechselaberwarneu–soschien es jedenfalls zunächst. Um herauszufinden, was es damit auf sich hatte, richteten Astronomen gleich drei Teleskope - von der NASA Infrared Telescope Facility, vom Keck und vom Gemini North Observatorium auf Hawaii - auf das Sturmband. Die verschiedenen Infrarotaufnahmen enthüllten, was im sichtbaren Licht verborgen blieb: Das braune Band war nicht verschwunden, es wurde nur von höherliegendenSchichtenaushellemAmmoniakeisverdeckt. WolkenausAmoniak-EisalsCamouflage „Die Ursache für das ‚Verlieren‘ dieses Sturmbands zwischen den umgebenden weißen Bändern ist, dass die normalerweise hier wehenden trockenen Abwinde, die die Region wolkenfrei halten, einschlafen“, erklärt GlennOrton,ForscheramJetPropulsion DieInfrarotaufnahmezeigtdas verdeckendeAmmoniakeisin Laboratory der NASA in Pasadena. höherenWolkenschichten© Dieser Prozess, das zeigten NASA/IRTF anschließende Modellsimulationen, wiederholt sich im Durchschnitt alle paar Jahrzehnte und hält dann jeweils ein bis drei Jahre an. „Eines der Dinge, nach denen wir im Infrarot suchten, waren daher Hinweise darauf, dass sich die Wolkenschichtzulichtenbeginnt.Undgenaudassahenwirauch.“An einer Stelle des noch weißen Sturmbandes schimmert inzwischen bereitswiederdiedunklereFarbedertieferliegendenWolkendurch. Auch die dunklere Farbe des Großen Roten Flecks wird sich, so Orton, mit der Rückkehr zu normalen Bedingungen im Wolkenband wiederaufhellen. DER„ROTERIESE“ B in den größten Sturm des Sonnensystems Er ist so riesig, dass unsere Erde drei Mal nebeneinander in ihn hineinpassen würde: der Große Rote Fleck des Jupiter. Dieser 22° südlich des Jupiteräquator tobende Wirbelsturm ist so auffällig, dass er schon vor mehr als 300 Jahren mit ersten einfachen Teleskopen beobachtet wurde. Eingeklemmt zwischen zwei Sturmbändern bewegt sich der Fleck in NordSüdrichtung kaum, in Ost-West-Richtung jedoch wandert er unregelmäßigundmitwechselnderGeschwindigkeit.Wieallegroßen Antizyklone ist auch der Große Rote Fleck kälter als die umgebende Jupiteratmosphäre, er ragt mehrere Kilometer weit über die wärmeren Wolkendecken hinaus und kühlt dabei bis auf minus 160°Cab. BlickinsInneremitWärmebildern Einzigartigmachtihnjedochvorallemeines:seineLanglebigkeit.Kein anderer Sturm im Sonnensystem ist so groß und so konstant wie er. Trotz seiner Prominenz sind aber auch bei ihm noch längst nichtalleRätselgelöst.Erstim Jahr 2010 beispielsweise hat ein internationales Forscherteam mit Hilfe mehrerer Infrarotteleskope FalschfarbenaufnahmevonWolkenwirbeln erstmals einen Blick in die nahedesGroßenRotenFlecksaufdem innere Struktur des Jupiter©NASA/JPL Riesensturms geworfen. Die infraroten Wärmebilder erlauben es, sowohl Rückschlüsse auf die TemperaturverteilungimSturmzuziehen,alsauchaufdiechemische Zusammensetzung der Sturmwolken. „Dies ist der erste Blick ins InneredesgrößtenSturmsimSonnensystem”,sagtGlennOrton,der LeiterdesForscherteams.„Früherdachtenwir,derGroßeRoteFleck wäreeinOvalohnegroßartigeinnereStruktur.DieneuenErgebnisse zeigen, dass es sich im Gegenteil um ein höchst komplexes Gebilde handelt.” Die neue „Wetterkarte“ des Sturms zeigt, dass diejenigen Gebiete des Großen Roten Flecks, die eine besonders intensive rötliche Färbung aufweisen, einer warmen Kernregion in einem ansonsten kalten Wirbelsturm entsprechen. Außerdem sind auf den BilderndunkleStreifenindenRandgebietendesSturmssichtbar,bei denen es sich um Gase handelt, die in tieferliegende Regionen der Planetenatmosphäreabsinken. RätselderrotenFarbenochimmerungelöst „Eines der spannendsten Ergebnisse ist, dass die Zentralregion des Flecks, die eine besonders intensive rot-orange Färbung aufweist, drei bis vier Grad wärmer ist als ihre Umgebung”, erklärt Leigh FletchervonderUniversitätvonOxford.Dasklingtnichtnacheinem großen Temperaturunterschied, reicht aber aus, um die gegen den Uhrzeiger gerichtete Drehung des Sturms in einem kleinen Gebiet im Zentrum umzukehren. In anderen Regionen der Jupiteratmosphäre reicht ein solcher Temperaturunterschied aus, um die Windgeschwindigkeiten und Wolkenmuster in den verschiedenen Streifen und Regionen der Atmosphäre messbar abzuändern. „Wir konnten mit diesen Beobachtungen zum ersten Mal einendirektenZusammenhangzwischen den Umweltbedingungen - Temperatur, Wind, Druck und chemischer AufnahmedesGroßenRoten FlecksimInfrarot-und Zusammenhang - einerseits und der sichtbarenLicht©ESO, Färbung des Großen Roten Flecks NASA/JPL,ESA/L.Fletcher andererseits nachweisen”, so Fletcher. „Wir wissen jetzt, dass sie mit Änderungen der Umweltbedingungen im Herzen des Sturms zusammenhängt.” Was genau dabei passiert, soll nun die Raumsonde Juno klären. Denn sie wird unter anderem dieZusammensetzungderJupiter-Atmosphäreanalysieren. WASSERSTOFFMETALLUNDHELIUMREGEN A eg in die Hölle des Jupiterinneren Im Kern der Erde herrschen Drücke von 3,5 Millionen Atmosphären und hoheTemperaturen.Dochverglichenmitdem,wassichim Inneren des Gasriesen Jupiter abspielt, ist das noch harmlos. Der Druck in seinem Kern erreicht das mehr als 70 Millionenfache des irdischen, die Temperaturen steigen auf 10.000 bis20.000Grad–zweibisdreiMalheißeralsdieSonnenoberfläche. WasabergeschiehtunterdiesenextremenBedingungenmitdenim JupiterinnerenvorhandenenElementen?DasssichdiesnichtmitHilfe von direkten Messungen oder Sonden feststellen lässt, hat spätestens 1995 die Galileo-Probensonde gezeigt. Eine Annäherung an die Extreme im Inneren des Gasriesen ist nur mit Modellrechnungen und Simulationen möglich. Sie zeigen, dass es zwischen der äußeren Wolkenhülle und dem Beginn des höchstwahrscheinlich festen Kerns keine säuberlich abgrenzbaren Schichten wie bei der Erde und anderen Gesteinsplaneten gibt. Stattdessen wandeln sich die Zustände der in ihm vorhandenen Elementeganzallmählich. Vom Wasserstoffnebel zum Heliumregen Wasserstoff, das auf dem Jupiter am häufigsten vertretene Gas, ist in der äußeren Atmosphäre noch gasförmig. Teilweise bildet es mit Stickstoff Ammoniakverbindungen, aus denendiedichten,alsfarbige ImInnerendesJupitergehtWasserstoff erstindenflüssigen(grau),danninden Bänder erkennbaren Wolken metallisch-flüssigenZustandüber(blau).© LunarandPlanetaryInstitute bestehen. Rund 1.000 Kilometer unter der obersten Wolkenschicht beginnt es sich jedoch zu verändern: mit steigendem Druck und Temperatur bilden sich immer mehr Tröpfen flüssigen Wasserstoffs. Die Atmosphäre wird immer dichter und „nebeliger“, bis sie schließlich nach und nach vollkommen flüssig ist. In rund 10.000 Kilometern Tiefe kondensiert nun auch das mit rund zehn Prozent zweithäufigste Gas, Helium, und bildet Tropfen. „Hier sind DruckundTemperatursohoch,dassmannichtmehrunterscheiden kann,obWasserstoffundHeliumeinGasodereineFlüssigkeitsind“, erklärt Burkhard Militzer von der Universität von Kalifornien in Berkeley. Er ist im März 2010 zusammen mit Kollegen der Frage nachgegangen, wo die 1995 von der Galileo-Sonde berichteten „fehlenden“ Neon- und Heliumanteile im Jupiterinneren abgeblieben seinkönnten. HeliumtropfenreißenNeonmitindieTiefe Ihre Modelle zeigen, dass das Schicksal beider enger verbunden ist als vermutet: Wenn das Helium flüssig wird und Tropfen bildet, löst sichdasNeondarin.DergemischteTropfensinktdabeiweiterab.In einer Tiefe von mehr als 13.000 Kilometern unter der Wolkendecke geschieht nun jedoch ein weiterer Wandel: Bei Temperaturen von rund 5.000°C und dem Druck von ein bis zwei Millionen Atmosphären wird der umgebende flüssige Wasserstoff plötzlich zu einemflüssigenMetall. Wie genau dieser exotische Zustand aussieht und welche Eigenschaften er hat,kannnurvermutetwerden–dennin keinem Labor der Erde lassen sich die gewaltigen Kräfte erzeugen, die für die Entstehung des metallisch-flüssigen Wasserstoffsnötigsind.Klaristnur,dass das eigentlich nichtleitende Gas Wasserstoff nun plötzlich zu einer ErklärungderHelium-und Neon-Verarmungim leitfähigen Flüssigkeit wird. Wie bei AußenbereichdurchHeliumRegen©BurkhardMilitzer/UC einem Metall können Elektronen in Berkeley diesemGebräurelativfreifließenundso Ströme erzeugen. Diese Umwandlung hat auch Auswirkungen auf das von oben herabregnende Helium-Neon-Gemisch: In dem metallischen Wasserstoff kann es sich nicht lösen. Wie Öltropfen in einer Wasserlache bleiben die absinkenden Heliumtropfen dadurch stabil – und nehmen auch das in ihnen gelöste Neon weiter mit in RichtungKern.„NeonlöstsichimHeliumundfälltdamitindieTiefe“, erklärtMilitzersKollegeHughWilson.„UnsereStudieverbindetdamit dieBeobachtungdesfehlendenNeonsinderAtmosphäremiteinem anderentheoretischpostuliertenProzess–demHeliumregen.“ FlüssigeMetall-LegierungausWasserstoffundHelium AberauchdieHeliumtropfenkönnendenhöllischenBedingungenim Jupiterinneren nicht lange standhalten. Bei mehr als 10.000°C und Drücken von mehreren Millionen Atmosphären wird auch das flüssige Helium nun zu einem Metall. „Man kann es sich vorstellen ähnlichwieQuecksilber,nurwenigerreflektierend“,erklärtRaymond Jeanloz, Professor für Astronomie an der Universität von Kalifornien inBerkeley.SeinForscherteamentdecktebereitsimJahr2008,dass sich dieses metallisch-flüssige Helium im Kern des Jupiter anders verhält als gedacht: Einmal zum Metall geworden überwindet es seine bisherige „Abneigung“ gegenüber dem ebenfalls metallischflüssigen Wasserstoff und bildet mit ihm ein Gemisch, vergleichbar einer Metalllegierung. „Das ist ein wichtiger Durchbruch in unserem Verständnis der Materie, denn um die Langzeitentwicklung der Planeten zu verstehen, müssen wir mehr über die Eigenschaften in ihremInnerenerfahren“,erklärtJeanloz.DasmetallischeGebräuaus WasserstoffundHeliumtiefimInnerendesJupiteristzwarreichlich exotisch, gleichzeitig aber liefert es endlich eine Erklärung für eine lange bekannte weitere Besonderheit des Gasriesen: sein Magnetfeld. „BEEP-BEEP“AUSDEMALL D agnetfelddesJupiteraufderSpurWirschreibendasJahr 1899. In Colorado Springs, am Rand der Rocky Mountains, hat sich der Erfinder und Ingenieur Nikola Tesla eine kleine Versuchsstation aufgebaut. Am Abend des 22. Juli sitzt er am Empfänger seiner selbst entwickelten hochsensiblen Radioantenne, die unter anderem Signale atmosphärischerEreignissewieBlitzentladungeneinfangensoll. Rätselhaftes„Beep-Beep“ausRichtungMars Doch plötzlich empfängt Tesla etwas, dass völlig aus dem Rahmen fällt: „Mein Ohr fing gerade noch hörbare Signale auf, die in regelmäßigen Abständen hereinkamen. Sie konnten nicht auf der Erdeerzeugtwordensein,nochdurcheinenbekanntensolarenoder lunaren Prozess oder durch den Einfluss der Venus“, beschreibt er dasEreignisfast20Jahrespäter.„DieMöglichkeit,dasssievomMars kommen könnten, schoss mir durch den Kopf.“ Denn mit dem Versinken des Planeten Mars hinter dem Horizont hören auch die mit fast unheimlicher Regelmäßigkeit bei rund 400 Hertz auftretenden „Beep-beep-beep“-Geräusche auf. Tesla glaubt darin sogar die Botschaft intelligenter Wesen - möglicherweise der Bewohner des Mars - zu erkennen. Was Tesla zu diesem Zeitpunkt nicht bemerkt: Gleichzeitig mit dem Mars geht auch der mit diesem fast auf einer Linie stehende Jupiter unter. Und der rund 800 Millionen Kilometer entfernte Planet ist auch die Quelle der geheimnisvollen Signale. Gesendet werden diese allerdings nicht von „Aliens“, sondern vom Magnetfeld des Planeten. Erscheint der Jupiter schon EingewaltigesMagnetfeldundStröme als Riese unter den Planeten, erngiereicherTeilchenumgebenden ist seine Magnetosphäre ein Jupiter.©NASA/JPL-Caltech wahrer Gigant und das größte bekannte Objekt im gesamten Sonnensystem. Ihre Ausdehnung ist so gewaltig, dass sogar die Sonne samt Korona komplett hineinpassen würde. Wäre die Magnetosphäre sichtbar, erschiene sie uns am Nachthimmel drei Mal so groß wie der Vollmond.DieStärkedesMagnetfeldsist20.000Malsogroßwiedas derErde. RadiosendungvomJupiterpol Wie heute bekannt ist, gehen die von Tesla aufgefangenen Radiowellen vom Magnetfeld an den Polen des Jupiter aus. Hier zeugen ständig leuchtende Polarlichter von intensiven und energiereichen Wechselwirkungen der Magnetfeldkräfte mit geladenen Teilchen des Sonnenwinds. Die leuchtenden Ringe der Jupiter-Auroren senden Strahlung im nahezu gesamten Bereich elektromagnetischer Strahlung hinaus ins All, darunter auch Radiowellen verschiedener Frequenzbereiche. Die schnelle Rotation des Planeten und die um zehn Grad gegen die Rotationsachse gekipptenMagnetpoleführendazu,dass einige der auf der Erde ankommenden Radiosignaleperiodischerscheinen–wie ein Morsecode von Außerirdischen. Das gigantische Magnetfeld sendet jedoch nicht nur Radiowellen Millionen Kilometer weit ins All hinaus, sondern auch Ströme extrem energiereicher PolarlichtamNordpoldes Elektronen und Ionen. Die mit der Jupiter:ImGegensatzzuden AurorenderErdeistdieses Energie von bis zu zehn oder sogar ständigpräsent©NASA/STScI hundert Megaelektronenvolt aufgeladenen synchrotronen Teilchenströme sind stärker als alles, was in irdischen Teilchenbeschleunigern produziert werden kann. Auch diese teilweise bis zur Erdumlaufbahn reichenden Emissionen werden, wie die Radiowellen, durch die Rotation des Jupiter beeinflusst und zeigen dadurch ein periodisches Muster ähnlich wie beieinemPulsar. Ringe,Monde,Teilchenströme Wie vielfältig und komplex die Wechselwirkungen und Prozesse im Jupiter-Magnetfeld tatsächlich sind, haben in den letzten Jahren und JahrzehntenMessungenvonSondenwiePioneer10,Voyager1und 2 und natürlich Galileo gezeigt. Während das irdische Magnetfeld vor allem durch Wechselwirkungen mit den geladenen Teilchen des Sonnenwinds verformt und beeinflusst wird, spielen beim Jupiter auch Interaktionen mit seinen Monden, Ringen und nicht zuletzt mit seiner eigenen Rotation eine entscheidende Rolle. So liegen gleich mehrere Monde, allen voran der vulkanisch aktive Mond Io, innerhalb des Magnetfeldes. Die von ihnen ausgeschleuderten Teilchen werden vom mit bis zu 100.000 Kilometern pro Stunde rotierendenMagnetfeldeingefangenundbildenmehreredickeRinge ausPlasmaumdenJupiter. Wie dieses komplexe und extrem starke Magnetfeld aberentsteht,dashabenerst in jüngster Zeit die ErkenntnisseüberdasInnere des Gasriesen enthüllt. Denn imGegensatzzurErdebesitzt der Jupiter keinen Kern aus festem und flüssigem Eisen, der als Dynamo wirken Magnetfeldlinien(weiß)undTeilchenwolken inderMagnetosphäredesJupiter© könnte. Stattdessen nimmt NASA/JPL,JohnsHopkinsUniversityAPL die Mischung aus metallischflüssigem Wasserstoff und Helium im Planeteninneren wahrscheinlich diese Rolle ein. Die in verschiedenen Regionen unterschiedlich schnelle Rotation und die auf- und absteigenden KonvektionsströmungendieserleitfähigenFlüssigkeitenerzeugendie gewaltigen Magnetfeldkräfte des Gasplaneten. Ob und wie dieser „Dynamo“ tatsächlich funktioniert, soll nun die NASA-Sonde Juno erkunden.SiewirdauchdieProzesseinderpolarenMagnetosphäre desGasriesennäherunterdieLupenehmen–dieQuellevonTeslas geheimnisvollem„Beep-beep“… ENTSTEHUNGUNGEKLÄRT W Gasriesen wie der Jupiter eigentlich nicht existieren dürften So faszinierend und rekordverdächtig Gasriesen wie der Jupiter auch sein mögen - für die PlanetenforschersindsieechteStörenfriede.Dennsie werfenallesdurcheinander,wasmansichinpunktoPlanetenbildung soschönzusammengereimthatte. LangsamesWachstumBrockenfürBrocken… Ohne die Gasriesen wäre das Szenario schön einfach: Irgendwo im AllschwebteinegewaltigeWolkekaltenGases,dieeinesTagesunter ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert und in sich zusammenfällt. Es entsteht eine sich immer schneller drehende Scheibe aus Gas und Staub. In ihrer Mitte verdichtet sich das Gas besonders schnell, es bildet sich ein Protostern. In den Außenbereichen der Scheibe beginnt der Staub zu Brocken fester Materie zusammenzuklumpen, die miteinander kollidieren und so immer weiter wachsen. Innerhalb von zehn- bis hunderttausend Jahren entstehen durch diese Akkretion aus kleinen Planetesimalen langsam Planetenembryos, die im Laufe der folgenden Millionen Jahre weiter miteinander und mit kleineren Brocken DieErdeundanderekleinere Planetenwachsendurch kollidieren. Von den anfangs bis zu 100 Akkretion-Planetenbausteine kollidierenundverschmelzen. Planetenembryos bleiben so nur noch ©NASA/JPL knapp eine Handvoll Gesteinsplaneten übrig–imFalledesSonnensystemswarendiesMerkur,Venus,Erde und Mars. Dann plötzlich der Umschwung: Im Inneren des Protosterns ist die kritische Schwelle für die Kernfusion erreicht, er zündetundbeginntzustrahlen–dieSonneistgeboren.Durchihre StrahlungwirddaskalteGasderprotoplanetarenScheibeaufgeheizt und ionisiert, ein Großteil davon fliegt allein schon durch den Strahlungsdruck aus dem jungen Planetensystem heraus. Für die jungen Gesteinsplaneten ist das kein Problem: Sie verlieren zwar einenTeilihrerGashüllen,bleibenaberansonstenunversehrt. ZuwenigZeitfürJupiter? Weiter außen in der Gasscheibe sieht die Lage dagegen schon anders aus. Der so genannten Kernakkretions-Theorie nach entstehen hier ebenfalls Planetenembryos, allerdings bestehen ihre KernenichtausreinemGestein,sondernzudreiViertelnausEis,das in diesen Außenregionen reichlich zur Verfügung steht. Haben sie etwafünfbiszehnErdmassenerreicht,beginntihreSchwerkraft,das umliegendeGasanzuziehenundesbildetsicheineimmermächtiger werdende Gashülle – ein Gasplanet entsteht. Soweit die Theorie. Doch sie hat einen entscheidenden Haken: Die Bildung eines jupitergroßen Gasriesen dauert im weniger dichten Außenbereich der Gasscheibe mindestens zehn Millionen Jahre, das zeigen Berechnungen. Diese Zeit aber kann der Jupiter eigentlichnichtgehabthaben. Denn Untersuchungen von protoplanetarenScheibenum andere, sonnenähnliche Sternen haben gezeigt, dass das „Futter“ für die Gasplanetenbildung, das JungerGasrieseumeinenrundzehn MillionenJahrealtenStern©NASA/SSC/ kalte, neutrale TimPyle Wasserstoffgas, nach Zündung der Kernfusion viel zu schnell verschwindet. Trotzdem haben es Jupiter und Co. offensichtlich geschafft, ihre enorme Gashülleauszubilden.Aberwie? GaswolkenkollapsstattallmählicheAkkretion? Einen möglichen Ausweg präsentierte ein Astronomenteam bereits im Jahr 2002 in „Science“: Demnach könnten Gasplaneten wie der Jupiter auch ähnlich wie Sterne entstanden sein, durch den schwerkraftbedingtenKollapsvonTeilenderGas-undStaubscheibe. Turbulenzen in ihrem Außenbereich können unter bestimmten Bedingungen,daszeigtendieModellederForscher,sogarinnerhalb weniger tausend Jahre zu Instabilitäten und zu einer Bildung von Klumpen führen, aus der Gasplaneten entstehen. Allerdings funktioniert dies nur bei sehr niedrigen Temperaturen von rund 50 KelvinundrunddoppeltsoweitvonderSonneentferntwiedieBahn des heutigen Jupiter. Außerdem dürften die so entstandenen Gasplaneten keinen oder nur einen kleinen Gesteinskern besitzen, dajakeineAkkretionvonGesteinsbrockenmitimSpielwar. JupiterkernzugroßfürKollaps-Theorie? Das allerdings macht den Jupiter erneut zu einem Problemfall: Denn er besitzt nicht nur einen Eis-Gesteinskern, dieser ist sogar deutlich größer als noch vor einigen Jahren angenommen, wie eine Simulation von amerikanischen Planetenforschern im Jahr 2008 ergab. Das Team um Burkhard Militzer von der Universität von Kalifornien in Berkeley Simulationvonlokalen und William B. Hubbard vom Lunar and InstabilitätenimAußenbereich derprotoplanetarenScheibe© Planetary Laboratory in Arizona Mayeretal./Science analysierte erneut alle bekannten Daten überdasInneredesGasriesenunderstelltedarauseinneuesModell seines Aufbaus. Das Ergebnis: Mit einer Größe von rund 14 bis 18 Erdmassen ist der feste Kern des Gasriesen rund doppelt so groß wie nach vorhergehenden Berechnungen angenommen. Der aus Schichten von Metallen, Gestein und Eis aufgebaute Brocken entspricht damit in etwa einem 20stel der gesamten Jupitermasse. „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.“ EndgültigeAntwortfehltnoch In punkto Entstehung des Gasriesen wirft dieses Ergebnis erneut Fragen auf: Bildete sich zumindest der Kern des Jupiter möglicherweise doch durch allmähliche Akkretion von Staub- und Planetesimalen? „Nach dem Kernakkretionsmodell entstanden alle Kerne durch allmähliche Ansammlung von Planetesimalen“, so Militzer. „Wenn das stimmt, dann sollten die Planeten relativ große Kernebesitzen,wasinunsererSimulationauchbestätigtwird.Esist schwerer, einen Planeten mit einem sehr kleinen Kern entstehen zu lassen.“ Ob die Forscher mit ihrer Simulation richtig liegen, soll die Jupitersonde Juno ab 2016 überprüfen. Vor allem die Funde vieler weiterer Gasriesen um andere Sterne haben die Diskussion um die Bildung von Planeten des Jupitertyps wieder angeheizt. Indizien und ArgumentegibtesfürbeideMechanismen.Wasjedochvorrund4,5 Milliarden Jahren im Sonnensystem tatsächlich geschah, bleibt noch immerVermutung… JANUSKOPFJUPITER W der Gasriese die Erde zugleich schützt und bedroht Was wäre, wenn es den Jupiter nicht gäbe? Dann sähe das Sonnensystem heute mit Sicherheit anders aus als jetzt. Denn die Präsenz eines so gewaltigenPlanetenundseinerSchwerkraftwirkungbleibtnichtohne Auswirkungen auf seine Nachbarn. Schon in der Anfangszeit des Sonnensystems beeinflusste der Gasriese daher wahrscheinlich vor allemdieBahnenderheuteäußerstenbeidenPlanetenUranusund Neptun. SchubsenundDrängelnimfrühenSonnensystem DennauchsiekönntensichursprünglichinderRegionzwischenfünf undzehnAstronomischenEinheitenvonderSonneentferntgebildet haben,gemeinsammitJupiterundSaturn.Jupiteralsdergrößteund amdichtestenanderSonnestehendesammeltedabeialserstereine dicke Gashülle um sich, der etwas kleinere Proto-Saturn tat es ihm nach. Beide nahmen dadurch an Masse und damit auch an Schwerkraft zu. Dadurch zogen sie viele der umherfliegenden Eisund Gesteinsbrocken auf sich und nahmen damit den beiden kleinerenPlanetenkernendas„Futter“weg.IhreGashüllebliebdaher klein. Darüber hinaus aber könnte der Jupiter seine drei Kollegen so stark beeinflusst haben, dass sie ganz aus ihrer damaligen Bahn flogen und weiter nach außen wanderten.SeineSchwerkraft schubste sie quasi erst auf ihre heutigen Orbits – das DieäußerenPlanetenentstandenvielleicht zumindest deuten einige ananderenalsihrenheutigenPositionen© Modelle der NASA Planetenentwicklung an. Gleichzeitig sorgte die Schwerkraft des Gasriesen dafür, dass auch zwischenihmunddemMarskeinweitererPlanetentstehenkonnte. Die dort kreisenden Gesteinsbrocken blieben unverbunden und bildenheutedenAsteroidengürtel. SonnensystemohneJupiter DerweitreichendeEinflussdesJupiterbleibtaberkeineswegsaufdie Vergangenheitbeschränkt:SeinegewaltigeSchwerkraftwirkt-sodie bisher gängige Theorie - heute als „Schutzschild“ für die inneren Planeten und damit auch die Erde. Immerhin alle zehn bis 15 Jahre, so die Schätzungen der Astronomen, schlägt ein Objekt der Größe zwischen 500 Metern und einem Kilometer auf dem Gasriesen ein undfliegtdamitnichtweiterindasinnereSonnensystem.Dieletzten Treffer dieser Art umfassen neben dem spektakulären Schauspiel beim Impakt des Kometen Shoemaker-Levy 9 im Jahr 1994 auch einenEinschlagam19.Juli2009. Was aber, wenn Jupiter nicht existieren würde? Würde dann auch die Erde häufiger katastrophale Meteoriteneinschläge erleben? Genau dies untersuchten 2008 Wissenschaftler um Jonathan Horner von der Open University (OU) in Großbritannien in einem Computermodell der Flugbahnen von 100.000 zwischen Jupiter und Neptun kreisenden Objekten. Sie verglichen in mehreren Szenarien, wie sich diese Flugbahnen innerhalb von zehn Millionen Jahren entwickeln, wenn es einen Jupiter gibt, wenn er fehlt und wenn an seinerStelleeinkleinererPlanetkreist. EinschlageinesObjektsauf demJupiterimJahr2009, aufgenommenmiteinem Infrarotteleskop©UCBerkeley Daistgut,wegistgut,kleineristschlecht Das überraschende Ergebnis: Es ist völlig egal, ob der Jupiter da ist oder nicht. In beiden Szenarien geraten gleich viele Objekte auf Kollisionskurs mit der Erde. „Wenn sich an dieser Stelle gar nichts befindet,gibteskeinenUnterschiedzurjetzigenImpaktrate“,erklärt Horner. Anders dagegen, wenn statt des Gasriesen ein kleinerer Planet an seiner Stelle säße: Dann würde die Anzahl der Einschläge aufderErdedeutlichsteigen.DenngibteskeinenPlanetenandieser Stelle, bleiben die meisten Objekte des äußeren Sonnensystems auf ihrenBahnenundsinddamitfürdieErdekeineGefahr.Gibtesden Jupiter, zieht seine Schwerkraft einige der Objekte an und lenkt sie damit auf neue Bahnen in Richtung Erde. Dann aber schleudert er sie wieder weg und katapultiert sie dabei ganz aus dem Sonnensystemhinaus.SitztabereinkleinererPlanetanseinerStelle, reicht dessen Schwerkraft nicht aus, um diese „Abweichler“ vollends aus dem Sonnensystem zu stoßen. Sie bleiben daher auf ihrer erdbahnkreuzenden Flugbahn und erhöhen so das Einschlagsrisiko. DerJupiterwirktdemnachtatsächlichals„Bodyguard“fürdieinneren Planeten im Sonnensystem – auch wenn ein Teil der von ihm abgewehrten Gefahr eigentlich erst durch seine Existenz entsteht. KlarscheintaberinjedemFalle,dassdergeheimnisvolleGasrieseein prägender Teil des Sonnensystems, ein Planet, ohne den unsere kosmische Nachbarschaft heute vermutlich völlig anders aussehen würde. RAUMSONDEJUNO:BESUCHBEIMJUPITER E ten und Ziele der Mission Fast zwei Jahrzehnte nach der Galileo-Sonde bekommt Jupiter nun wieder Besuch: Die 2011 gestartete NASA-Raumsonde Juno wird am 4. Juli 2016amGasrieseneintreffen.SiewirddenJupiterineinem polaren Orbit umkreisen und dabei Daten sammeln, die einige der bisheroffenenFragenklärenkönnten.DerNamederSondegehtauf die römische Mythologie zurück: Juno war die Gemahlin des Jupiter undderSagenachdieeinzige,diedenNebeldurchschauenkonnte, mitdemsichJupitergernebeiseinenSeitensprüngenundStreichen verhüllte. DieZielederJuno-Mission: Ursprung: Juno wird die Verteilung und Häufigkeit von Wasser, Ammoniak, Sauerstoff und Stickstoff in der Atmosphäre des Gasriesen unter anderem durch Mikrowellenmessungen ermitteln. Zusammen mit Messungen des Schwerefelds sollen diese Daten Rückschlüsse auf die Entstehungsweise des Gasplaneten erlauben und beispielweise zeigen, ob er durch Akkretion oder aber durch KollapsderprotoplanetarenScheibegebildetwurde.InnererAufbau: Die Größe und Zusammensetzung des Jupiterkerns und der ihn umgebenden metallischen Schichten spielen eine entscheidende Rolle für das Jupitermagnetfeld, aber auch für zahlreiche andere Eigenschaften des Gasriesen. Juno soll vor allem durch Vermessung desMagnet-undSchwerefeldsmehrAufschlussüberdieMassedes Kerns, die Konvektionsströmungen im Inneren und das Vorkommen von Wasser im Planeten gewinnen.Atmosphäre: Jupiter hat die dichteste Atmosphäre aller Planeten des Sonnensystems. Durch Erfassung von Variationen in Zusammensetzung, Temperatur, WolkendichteundStrömungeninderAtmosphärebisindieTiefeder 100 Bar-Zone soll Juno erstmals umfassende Informationen über globale Struktur und Dynamik der Gashülle unterhalb der Wolkendeckeliefern. Magnetosphäre: Die JunoSonde wird die Verteilung geladener Teilchen, der mit ihnen verbundenen Felder und die elektromagnetischen Emissionen der Magnetosphäre und besonders der Polregionen erfassen. Ihre Daten könnten so das Wissen über die größte und stärkste Magnetosphäre unseres DieRaumsondeJunowirdimLaufeihrer OrbitsderstrahlungsreichenAtmosphäre desGasriesengefährlichnahekommen.© NASA/JPL-Caltech Sonnensystemsdeutlicherweitern.UmdiesensibleElektronikgegen die extreme Strahlung und die energiereichen Teilchen zu schützen, ist das gesamte „Herz“ der Sonde innerhalb einer gepanzerten Umhüllung aus Zentimeter dicken Titanplatten untergebracht. Zudem wird sie den Planeten vom Nordpol aus anfliegen und möglichstschnellunterdietödlichenStrahlengürtelabtauchen. Missions-DatenimÜberblick: Start:5.August2011,CapeCanaveralStartgewicht:3.625Kilogramm SchwungholendurchVorbeifluganderErde:Oktober2013Ankunft am Jupiter: 4. Juli 2016 Dauer der Mission: mindestens 32 Umkreisungen des Planeten in rund 4.800 Kilometern Höhe über denWolken,EndevoraussichtlichOktober2017Alswissenschaftliche Nutzlast trägt die Sonde ein Mikrowellen-Radiometer und ein Magnetometer,einenUV-undInfrarot-Spektrographen,Instrumente zur Erfassung energiereicher und geladener Teilchen und Wellen sowiederSchwerkraft.Die„Junco“,eineKamerafürFarbaufnahmen im sichtbaren Licht, soll zudem Bilder der Polregionen und der innerenMondeliefern. 04|Impressum scinexx.de-DasWissensmagazin MMCDNEWMEDIAGmbH Elisabethstraße42 40217Düsseldorf Tel.0211-94217222 Fax03212-1262505 www.mmcd.de [email protected] Geschäftsführer:HaraldFrater,[email protected] Chefredakteurin:NadjaPodbregar,[email protected] Handelsregister: Düsseldorf,HRB56568;USt.-ID.:DE254927844; FinanzamtDüsseldorf-Mitte Konzeption/Programmierung YOUPUBLISHGmbH Werastrasse84 70190Stuttgart M:info(at)you-publish.com Geschäftsführer:AndreasDollmayer ©2016byKonradinMedienGmbH,Leinfelden-Echterdingen
