SATURN
Helium-Regen im Inneren des Ringplaneten?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Rostock
astronews.com
6. Juli 2015

Im Inneren der großen Gasriesen kann Wasserstoff aufgrund des extremen Drucks in einem exotischen Zustand, nämlich als metallischer Wasserstoff, vorkommen. Bei Experimenten konnten Physiker diesen theoretisch vorhergesagten Zustand nun bestätigen. Sie fanden auch eine Erklärung dafür, warum der Saturn etwas wärmer ist, als er eigentlich sein sollte: Grund könnte Helium-Regen sein.

Der Ringplanet Saturn in einer Aufnahme der Saturnsonde Cassini. Bild: NASA / JPL-Caltech / SSI / Cornell [Großansicht]

Die Planeten unseres Sonnensystems waren bei ihrer Bildung vor 4,56 Milliarden Jahren heiße Objekte und haben sich mit zunehmendem Alter abgekühlt. Im Gegensatz zu Jupiter scheint Saturn aber wärmer zu sein, als die Modelle der Planetenphysiker vorhersagen. Seit langem ist man auf der Suche nach der zusätzlichen Energiequelle, die für seine erhöhte Temperatur und damit größere Strahlungsleistung verantwortlich ist. Physiker aus Rostock und Albuquerque in den USA suchen gemeinsam nach einer Erklärung für dieses Phänomen.

Sowohl Jupiter als auch Saturn bestehen fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, so dass dazu das Verhalten dieser beiden Elemente unter den extremen Bedingungen im Inneren der Gasplaneten studiert werden muss: Drücke von vielen Millionen Atmosphären und Temperaturen von einigen Tausend Grad Celsius.

Dazu haben Physiker um Dr. Marcus Knudson vom Sandia National Laboratory in Albuquerque (USA) unter Mitwirkung der AG Statistische Physik um Prof. Ronald Redmer vom Institut für Physik der Universität Rostock nun Experimente durchgeführt und Deuterium, das schwerere Isotop des Wasserstoffs, auf bis zu 3,5 Millionen Atmosphären bei einigen Tausend Grad Celsius komprimiert.

Das Forscherteam hat dabei nachgewiesen, dass sich die Moleküle des Deuteriums unter diesen extremen Bedingungen abrupt in Atome aufspalten und sich das Wasserstoffisotop danach metallisch verhält. Damit ist eine Vorhersage von 1935 zur Existenz dieses metallischen Wasserstoffs bestätigt worden. Als Konsequenz dieses abrupten Übergangs wird nun weiter vermutet, dass sich das in den Gasplaneten vorhandene Helium nicht mehr mit dem nunmehr metallischen Wasserstoff mischt und die sich bildenden, etwas schwereren Helium-Tröpfchen im Planeten nach unten sinken. Dieser "Helium-Regen" könnte auch die mysteriöse Energiequelle im Saturn sein.

Allerdings war bis zu den Experimenten am Sandia National Laboratory nicht klar, wo dieser Übergang genau liegt und ob er so abrupt verläuft, dass er in der Sprache der Physik ein "Phasenübergang 1. Ordnung" ist, genau wie der vom festen zum flüssigen Aggregatzustand. Die Experimente bestätigen die theoretischen Vorhersagen der Rostocker Physiker. Die neuen Ergebnisse könnten auch erklären, wieso "Helium-Regen" im Saturn auftritt, aber im deutlich größeren Jupiter vermutlich nicht.

In der Arbeitsgruppe von Redmer laufen bereits weitere Projekte, um die Konsequenzen der neuen Experimente auf den inneren Aufbau und die Entwicklung von Gasplaneten im Detail zu untersuchen. Die Arbeiten der Rostocker Physiker wurden vom Sonderforschungsbereich 652 und der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Über die Ergebnisse ihrer Untersuchungen berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Science.