Ein zusammengesetztes Bild von Uranus (links) und Neptun aus Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops.(Bildnachweis: NASA, ESA, Mark Showalter (SETI Institute), Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Andrew I. Hsu (UC Berkeley))
Als die NASA-Raumsonde Voyager 2 in den späten 80er Jahren in die äußeren Regionen des Sonnensystems vordrang, fiel ihr etwas Merkwürdiges auf. Beide Eisriesenplaneten, Uranus und Neptun, hatten kein so genanntes „Dipolmagnetfeld“. Dies stand im krassen Gegensatz zu unserer eigenen felsigen Welt sowie zu den beiden Gasriesen Jupiter und Saturn.
Wenn dichte Materialien in der Nähe der Oberfläche eines Planeten abkühlen, sinken sie in das Innere des Planeten. Andererseits steigen heißere Materialien in der Nähe des Planeteninneren auf. Die Kombination aus absinkenden und aufsteigenden Materialien erzeugt Konvektion, die zu einer Bewegung und Vermischung von Materialien innerhalb eines Planeten führt. Und wenn das Innere eines Planeten elektrisch leitend ist (z. B. aus flüssigem Metall oder Wasser besteht), erzeugt das konvektierende Material – oft als Dynamo bezeichnet – ein Dipolmagnetfeld. Stellen Sie sich das wie einen Magneten mit Nord- und Südpolen vor. Durch diesen Prozess wird das Magnetfeld der Erde erzeugt – die schützende Barriere, die uns vor geladenen Teilchen abschirmt.
Auf Uranus und Neptun gibt es diesen Prozess jedoch nicht. Die Wissenschaftler fragten sich also: Warum ist das so?
In den letzten zwei Jahrzehnten hatten Forscher spekuliert, dass dies daran liegt, dass sich die Materialschichten in diesen Welten nicht vermischen können, wodurch die Konvektionsbewegung, die bei Planeten wie dem unseren zu Dipolmagnetfeldern führt, zum Stillstand kommt. Doch während sich die Forscher schließlich darauf einigten, dass das Problem tatsächlich auf die Trennung der Schichten innerhalb dieser Welten zurückzuführen ist, war die Zusammensetzung dieser Schichten noch nicht geklärt. Jetzt glaubt Burkhard Militzer, Planetenforscher an der University of California, Berkeley, eine Antwort gefunden zu haben.
„Wir haben jetzt, würde ich sagen, eine gute Theorie, warum Uranus und Neptun ganz andere Felder haben als die Erde, Jupiter und Saturn“, sagte Militzer in einer Erklärung.
Mit diesem Wissen versuchte Militzer vor 10 Jahren, das Innere dieser Welten mit Computern zu simulieren, indem er etwa 100 Atome von Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff (in Anteilen, die ihre Häufigkeit in den frühen Stadien des Sonnensystems widerspiegeln) bei Druck und Temperaturen, die ihr Inneres widerspiegeln, zusammenbrachte. Dennoch ergaben sie keine ausgeprägten Schichten.
Im vergangenen Jahr konnte Militzer mit Hilfe des maschinellen Lernens das Verhalten von 540 Atomen mit ähnlichen Verhältnissen simulieren und stellte fest, dass sich bei der Erhitzung und Komprimierung der Atome auf natürliche Weise Schichten bilden würden. „Eines Tages“, so Militzer, “sah ich mir das Modell an, und das Wasser hatte sich vom Kohlenstoff und Stickstoff getrennt. Was ich vor 10 Jahren nicht konnte, geschah jetzt.“
„Ich dachte: ‚Wow! Jetzt weiß ich, warum sich die Schichten bilden: Die eine ist wasserreich und die andere kohlenstoffreich, und bei Uranus und Neptun ist es das kohlenstoffreiche System, das unten ist. Der schwere Teil bleibt unten, und der leichtere Teil bleibt oben und kann keine Konvektion auslösen“, sagte er.
Militzers Modell sagt voraus, dass sich unter der 3.000 Meilen (etwas mehr als 4.800 Kilometer) dicken Atmosphäre des Uraniums eine riesige wasserreiche Schicht befindet, die 5.000 Meilen (etwas mehr als 8.000 Kilometer) tief ist. Darunter befindet sich eine ebenfalls 5.000 Meilen dicke, kohlenwasserstoffreiche Schicht, in deren Zentrum sich ein felsiger Kern von der Größe des Merkurs befindet.
Obwohl Neptun massereicher als Uranus ist, hat er im Vergleich zu seinem eisigen Landsmann einen geringeren Gesamtdurchmesser und eine dünnere Atmosphäre. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass er ähnliche differenzierte wasser- und kohlenwasserstoffreiche Schichten aufweist, mit einem felsigen Kern von der Größe des Mars (der die zusätzliche Masse liefert).
„Wenn Sie meine Kollegen fragen: ‚Was glauben Sie, erklärt die Felder von Uranus und Neptun?‘, werden sie vielleicht sagen: ‚Nun, vielleicht ist es dieser Diamantregen, aber vielleicht ist es auch diese Wassereigenschaft, die wir superionisch nennen‘“, so Militzer. „Aus meiner Sicht ist das nicht plausibel. Aber wenn wir diese Trennung in zwei getrennte Schichten haben, sollte das eine Erklärung sein.“
Militzer hofft, dass er seine Hypothese eines Tages mit Laborexperimenten überprüfen kann, die die inneren Bedingungen dieser Welten widerspiegeln. Eine Mission zum Uranus könnte ebenfalls Antworten liefern, sagt Militzer.
Die Arbeit wurde am 25. November in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
