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Uranus, gesehen vom James Webb Weltraumteleskop (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI)

Wissenschaftler haben möglicherweise ein langwieriges Rätsel um den Eisriesen Uranus und seine schwachen Strahlungsgürtel gelöst. Es ist möglich, dass die Schwäche der Gürtel mit dem seltsam geneigten und schiefen Magnetfeld des Planeten zusammenhängt; das Feld könnte „Staus“ für Partikel verursachen, die um die Welt peitschen.

Das Rätsel geht auf den Besuch von Voyager 2 beim Uranus im Januar 1986 zurück, lange bevor die Sonde 2018 das Sonnensystem verließ. Die Raumsonde stellte fest, dass das Magnetfeld des Uranus asymmetrisch und etwa 60° von seiner Rotationsachse weg geneigt ist. Außerdem stellte Voyager 2 fest, dass die Strahlungsgürtel des Uranus, die aus Teilchen bestehen, die von diesem Magnetfeld eingefangen werden, etwa 100 Mal schwächer sind als vorhergesagt.

Die neuen Forschungen, die auf Simulationen anhand der Daten von Voyager 2 beruhen, legen nahe, dass diese beiden seltsamen Aspekte des Eisriesen miteinander zusammenhängen.

„Er hat ein Magnetfeld wie kein anderer in unserem Sonnensystem. Die meisten Planeten, die ein starkes eigenes Magnetfeld haben, wie die Erde, Jupiter und Saturn. Sie haben eine sehr ‚traditionelle‘ Magnetfeldform, die als Dipol bekannt ist“, sagte der Hauptautor Matthew Acevski gegenüber kosmischeweiten.de. „Das ist die gleiche Magnetfeldform, wie man sie von einem gewöhnlichen Stabmagneten erwarten würde. Beim Uranus ist das nicht der Fall; das Feld des Uranus ist stark asymmetrisch – und es wird immer asymmetrischer, je näher man der Planetenoberfläche kommt.“

Acevski erklärte, dass diese Forschung zeigt, wie die magnetische Asymmetrie des Uranus die Struktur der Protonenstrahlungsgürtel des Planeten verzerrt, insbesondere in der Nähe der Region, die von Voyager 2 passiert wurde.

„Meine Hypothese war, dass die magnetische Asymmetrie die Protonenstrahlungsgürtel verformt und Regionen um den Planeten herum bildet, in denen die Strahlungsgürtel stärker komprimiert sind“, so Acevski, „und daher eine höhere Intensität aufweisen; andere Regionen, in denen sie sich stärker ausbreiten, führen zu einer geringeren Intensität.

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„Wenn Voyager 2 durch eine Region geflogen ist, in der die Strahlungsgürtel stärker verteilt waren, könnte dies die Beobachtungen von schwächer als erwarteten Protonenstrahlungsgürteln erklären.“

Eine Anomalie im Sonnensystem

Der kälteste Planet im Sonnensystem und der siebte Planet von der Sonne, Uranus, ist ein Sonderfall unter den anderen Welten unseres Planetensystems. Der Eisriese rollt wie ein kosmischer Ball, der in einem Winkel von 97 Grad zur Ebene seiner Umlaufbahn in eine Richtung geneigt ist. Das heißt, wenn er sich dreht, tut er das gewissermaßen „seitwärts“. Er ist der einzige Planet des Sonnensystems, der dies tut.

Die Neigung, von der man annimmt, dass sie das Ergebnis einer Kollision mit einem erdgroßen Objekt in der fernen Vergangenheit ist, führt dazu, dass Uranus die extremsten Jahreszeiten im Sonnensystem hat, mit einem Winter, der 21 Jahre lang dauert. Der Uranus, der alle 84 Erdjahre eine Umlaufbahn vollzieht, ist außerdem einer von zwei Planeten im Sonnensystem (der andere ist die Venus), der sich in entgegengesetzter Richtung um die Sonne dreht wie alle anderen Planeten.

Der Uranus ist etwa viermal so breit wie die Erde und befindet sich etwa 19-mal so weit von der Sonne entfernt wie unser Planet. Er wird von 13 schwachen Ringen und mindestens 28 Monden umschlossen. Der Uranus hat auch Polarlichter, die dem Nord- und Südlicht der Erde ähneln, aber aufgrund des geneigten Magnetfelds des Planeten erscheinen diese nicht über seinen Polen, wie sie es über unserem Planeten, Jupiter und sogar Saturn tun.

Wie bei allen Planeten mit Magnetfeldern gibt es auch um den Uranus herum eingefangene geladene Teilchen, die Strahlungsgürtel bilden – aber warum diese Strahlungsgürtel so schwach erscheinen, ist seit fünf Jahrzehnten ein Rätsel geblieben.

Bilder des Uranus, aufgenommen von der Raumsonde Voyager 2 im Jahr 1986. Ist es Zeit für eine neue Mission zu dieser seltsamen, kalten Welt? (Bildnachweis: NASA)

Bei der Simulation des Teams wurde die Vorstellung aufgegeben, dass das Magnetfeld des Uranus als Dipol wirkt, und ein komplexeres Quadrupol-Magnetfeld verwendet, um seine schiefe Natur zu replizieren.

Daraus geht hervor, dass die Teilchen beschleunigt und abgebremst werden, wenn sie Regionen mit unterschiedlichen Feldstärken durchqueren. Die Geschwindigkeitsänderungen der Teilchen führen dazu, dass sie sich in einigen Regionen zusammenballen, während sie sich in anderen stärker verteilen. Dieser Effekt tritt nur auf, wenn ein einzelnes, komplexes Quadrupol-Magnetfeld in die Simulation einbezogen wird, weshalb er bisher nicht beobachtet wurde.

„Wir haben herausgefunden, dass die magnetische Asymmetrie des Uranus dazu führen könnte, dass es um den Planeten herum Regionen gibt, in denen die Protonen langsamer driften und stärker komprimiert sind, und andere Regionen, in denen sie schneller driften und stärker verteilt sind“, so Acevski. „Dies ist vergleichbar mit der Bildung von Staus auf einer Umgehungsstraße. Wenn die Autos langsamer fahren, ist der Verkehr dichter, wenn sie schneller fahren, ist der Verkehr breiter verteilt.“

Acevski und Kollegen stellen die Theorie auf, dass Voyager 2 beim Besuch des Uranus einen schwachen Bereich des Strahlungsgürtels des Eisriesen durchquerte.

„Wir haben die Flugbahn von Voyager 2 auf dieses Profil projiziert und festgestellt, dass die Raumsonde tatsächlich durch eine Region mit ’schneller Drift‘ geflogen ist, was bedeuten würde, dass sie eine geringere Intensität des Protonenstrahlungsgürtels als üblich hätte beobachten müssen“, so Acevski. „Wichtig ist, dass unsere Teilchensimulationen zeigen, dass dieses Ergebnis eine maximale Abweichung von etwa 20 % der Protonenintensität um den Planeten ausmacht“, so Acevski, was bedeutet, dass das Modell des Teams die von Voyager 2 beobachtete 100-mal geringere Intensität nicht vollständig erklären kann.

„Es ist möglich, dass der primäre Effekt, der diese viel schwächeren Protonenstrahlungsgürtel verursacht hat, durch diesen Effekt, den wir gefunden haben, verstärkt wurde“, so Acevski weiter. „Wir waren von den Ergebnissen extrem überrascht. Es ist erstaunlich zu sehen, welchen Einfluss die magnetische Asymmetrie auf die Struktur der Strahlungsgürtel haben kann. Das ist etwas, das bisher nicht bekannt war.“

Eine künstlerische Darstellung von Voyager 2 beim Eintritt in den interstellaren Raum 18 Jahre nach dem Besuch des Uranus (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Acevski wies darauf hin, dass die von ihm und seinem Team erzielten Ergebnisse als Grundlage für künftige Raumfahrtmissionen zum Uranus dienen könnten. Bislang ist Voyager 2 die einzige Raumsonde, die den Eisriesen besucht hat. Das bedeutet, dass direkte Daten über diese Welt nur sehr begrenzt zur Verfügung stehen.

Die NASA plant, bereits im Jahr 2030 eine Mission zum Uranus zu starten. Eine solche Mission könnte dazu beitragen, die Ergebnisse dieser Simulation experimentell zu überprüfen.

„Was wir brauchen, um diese Simulationen zu verifizieren, ist eine Flaggschiff-Raumsonde zum Uranus, um neue Messungen des Planeten vor Ort über mehrere Jahre hinweg zu erhalten und nicht nur einige Stunden wie bei Voyager 2“, sagte Acevski. „Eine neue Mission könnte uns auch ermöglichen, neue physikalische Phänomene zu entdecken, die wir nicht einmal mit Simulationen vorhersagen konnten.

„Da es sich um einen Planeten mit einem Magnetfeld handelt, das wir noch nie gesehen haben, ist es durchaus möglich, dass völlig neue Phänomene gefunden werden, die unser Verständnis der Planetenforschung erweitern würden.“

Acevski ist mit dieser seltsamen Welt des Sonnensystems noch lange nicht fertig. Der Eisriese übt eine besondere Faszination auf die Forscherin aus.

„Uranus stellt eine einzigartige Herausforderung für die Wissenschaft dar, die ich mit großem Vergnügen in Angriff nehme. Es ist wirklich faszinierend, wie viel man mit so wenigen Daten aufdecken kann, und wir kratzen buchstäblich nur an der Oberfläche“, so Acevski abschließend. „Bis heute gibt es nicht viele Menschen, die die eisigen Riesenplaneten Uranus und Neptun erforschen, obwohl sie so merkwürdige Eigenschaften aufweisen, vor allem in ihren Magnetfeldern, und so ist es für mich eine sehr aufregende Aussicht, die Aufmerksamkeit auf die seltsamen Phänomene zu lenken, die dort auftreten können.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Juni in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht.