In der Serie “Fragen zur Astronomie” geht es heute zur Abwechslung mal um die Planeten. In unserem Sonnensystem unterscheiden wir da ja zwei grundlegend unterschiedliche Typen. Einmal sind da die eher kleinen Gesteinsplaneten, die eine feste Oberfläche und eine vergleichsweise dünne bzw. gar keine Atmosphäre haben. Dazu gehören Merkur, Venus, Mars und die Erde. Und dann gibt es noch Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun: Die Gasriesen, die viel größer und massereicher sind und im Prinzip komplett aus Gas bestehen und keine feste Oberfläche. Oder vielleicht doch? Eine Frage, auf die ich immer wieder stoße lautet: Haben Planeten wie Jupiter oder Saturn eine feste Oberfläche? Oder anders gefragt: Steckt irgendwo unter dem ganzen Gas doch noch ein fester Kern?

So sieht Jupiter von außen aus. Aber was ist weiter innen los? (Bild: NASA/JPL/Uni Arizona)

So sieht Jupiter von außen aus. Aber was ist weiter innen los? (Bild: NASA/JPL/Uni Arizona)

Wie so oft lautet auch hier die Antwort: Vielleicht! Über den inneren Aufbau von Planeten wie Jupiter und Saturn gibt es zwar viele (gute) Vermutungen. Aber es ist nicht einfach, in den Kern eines Planeten zu sehen. Das ist schon auf der Erde schwierig genug und hier haben wir den großen Vorteil, dass wir direkt vor Ort sind und in Ruhe alle möglichen Messungen anstellen können. Jupiter, der nächstgelegene Gasriese, ist verdammt weit weg und dementsprechend schwer zu erforschen.

Wir wissen auf jeden Fall wie groß Jupiter ist und wir kennen auch seine Masse. Das lässt sich auch durch Beobachtungen von der Erde sehr einfach bestimmen. Aus Masse und Größe folgt direkt seine mittlere Dichte und die beträgt 1,3 Gramm/Kubikzentimeter. Das ist deutlich weniger als die mittlere Dichte der Erde, die 5,5 Gramm/Kubikzentimeter beträgt. Daraus können wir schon mal schließen, dass ein Großteil des Jupiters aus Material besteht, dass kein festes Gestein oder Metall ist. Das bestätigen auch die Messungen, die wir mit dem Licht anstellen können, das aus seinen äußeren Gasschichten reflektiert wird. Eine (spektroskopische) Analyse dieses Lichts sagt uns, dass der Hauptteil dieser Materie leichter Wasserstoff sein muss: Dieses Gas macht fast 75 Prozent der Gesamtmenge aus. Die restlichen 25 Prozent bestehen fast komplett aus dem Gas Helium und in ganz geringen Mengen findet man auch noch andere Gase wie Methan oder Ammoniak. Und Spuren aller möglichen anderen Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, und so weiter.

Die obersten Wolkenschichten sind etwa 50 Kilometer dick. Was darunter vor sich geht, kann man nur indirekt herausfinden. Einerseits aus diversen theoretischen Modellen über die Entstehung und Entwicklung von Planeten und aus dem, was wir über das Verhalten diverser Gas bei verschiedenen Temperaturen und Drücken wissen. Andererseits aus den Messungen von Raumsonden, die bei ihrem Vorbeiflug genau feststellen können, wie stark sie von Jupiter angezogen werden. Die Stärke dieser Anziehungskraft und vor allem die Art und Weise wie sie sich beim An- und Vorbeiflug ändert lässt ebenfalls Rückschlüsse auf das Innere des Planeten zu.

So könnte Jupiter innen drin aussehen. Oder auch nicht. (Bild: Kelvinsong, CC-BY-SA 3.0)

So könnte Jupiter innen drin aussehen. Oder auch nicht. (Bild: Kelvinsong, CC-BY-SA 3.0)

Wir wissen, dass der ganze Rest unter der obersten Wolkenschicht auf jeden Fall nicht völlig anders zusammengesetzt sein kann. Auch die weiter innen liegenden Regionen von Jupiter müssen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, denn ansonsten könnte der Planet nicht seine geringe mittlere Dichte von 1,3 Gramm/Kubikzentimeter erreichen. Ungefähr 71 Prozent seines Inneren bestehen ebenfalls aus Wasserstoff, knapp 24 Prozent sind Helium und etwa 5 Prozent bestehen aus anderen Elementen.

Unter der äußersten Schicht, die im wesentlichen aus gasförmigen Wasserstoff besteht, befindet sich eine dicke Schicht, die aus flüssigem Wasserstoff gebildet wird. Man darf sich das aber nicht so vorstellen, wie Wolken, die über einem großen Ozean schweben! Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, wird von der Temperatur und dem Druck der Umgebung bestimmt. Im Alltag sind wir daran gewöhnt, das ein Stoff immer einen ganz konkreten klar definierten Zustand hat. Aber das muss nicht immer so sein: Sind Temperatur und Druck hoch genug, wird irgendwann der sogenannte kritische Punkt überschritten. Der Unterschied zwischen “flüssig” und “gasförmig” hört dann auf zu existieren und man nennt diesen Zustand dann “superkritisch”. Bei Jupiter (und anderen Gasplaneten) ist genau das der Fall: Weiter außen, wo Temperatur und Druck noch niedrig sind, ist der Wasserstoff noch gasförmig. Da aber weiter innen der kritische Punkt überschritten wird, gehen auch die gasförmige und die flüssige Phase kontinuierlich ineinander über und es gibt keine klar definierte Grenzfläche.

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Kommentare (19)

  1. #1 Kruemelkatze
    1. Juni 2015

    Gasriesen haben mich schon seit jeher interessiert. Vor allem, wie man sich die von “innen” vorstellen kann. Vor einiger Zeit bin ich auch auf einen Eintrag auf Reddit gestoßen, der das hypothetisiert:
    http://www.reddit.com/r/askscience/comments/12eggw/seeing_as_how_jupiter_is_a_gas_giant_what_would/

    Ob es nun stimmt oder nicht, interessant zu lesen ist es alleweil. 🙂

  2. #2 Oliver Tacke
    Braunschweig
    1. Juni 2015

    Danke für die spannende Lektüre!

  3. #3 b-age
    1. Juni 2015

    Ja, den Beitrag fand ich auch sehr gelungen und höchst interesant.
    Auf die Idee, dass der Kern um den sich der Gasriese entwickelt hat bei diesen exotischen Drücken und hohen Temperaturen vielleicht “löslich“ ist, bin ich noch gar nicht gekommen. Dachte vorher auch “Kern, klar, muss ja“
    Horizont erfolgreich erweitert, danke dafür.

  4. #4 Benny
    1. Juni 2015

    Was passiert, wenn man auf Jupiter einen Stein fallen lässt? Wie tief würde er fallen/sinken? Könnte man auch eine Sonde fallen lassen? Wie lange könnte die Daten funken?

  5. #5 Till
    1. Juni 2015

    Mich würde interessieren, wie die aktuellen Modelle für den Kern von Jupiter aussehen. Einerseits haben die Metalle (im Astronomischen Sinn) ja vermutlich auch bei den extremen Bedingungen im Jupiter eine höhere Dichte als Wasserstoff und Helium, was dafür sorgen sollte, dass sie zum Zentrum sinken. Andererseits erzeugt die hohe Temperatur starke Diffusion, die dafür sorgen könnte, dass die Metalle sich verteilen. Das hat doch bestimmt schonmal jemand durchgerechnet oder?

  6. #6 Alderamin
    1. Juni 2015

    @Benny

    Könnte man auch eine Sonde fallen lassen? Wie lange könnte die Daten funken?

    Das hat man schon gemacht, und zwar schickte die Jupitersonde Galileo 1995 eine Atmosphärensonde (merkwürdigerweise ohne schönen Eigennamen) am Fallschirm in die Jupiteratmosphäre, die ungefähr 1 h lang Daten aus bis zu 140 km Tiefe (gemessen ab unterhalb der 1-bar-Druck-Höhe, wie er auf der Erdoberfläche herrscht) bei 24 bar Druck und 150°C Temperatur, bevor die Funkverbindung abriss. Die erreichbare Tiefe ist natürlich eine Frage der Stabilität, für die man eine solche Sonde auslegt, und ob man durch die dichter werdende Atmosphäre dann noch ein Signal hindurch bekommt. Bestenfalls ein paar hundert km sind möglich, dann löst sie sich bei zunehmender Temperatur auf. Das ist, gemessen am Durchmesser des Jupiters von rund 143000 km, doch noch sehr oberflächlich.

    Was passiert, wenn man auf Jupiter einen Stein fallen lässt? Wie tief würde er fallen/sinken?

    Er würde normalerweise in großer Höhe verglühen, aber mal angenommen, er würde hinreichend langsam fallen und durch den Luftwiderstand gebremst, würde er durch die zunehmende Hitze aufgeschmolzen und zu Tropfen zerfallen.

    In dieser Grafik sieht man, wie es der Galileo-Atmosphärensonde im weiteren ergangen sein wird. Bei ca. 1000 km schmilzt (1668 °C) und verdampft (3260 °C) selbst Titan, und Gestein schmilzt (je nach Zusammensetzung) irgendwo zwischen 1500 °C und 2500° C. Irgendwo jenseits 1000 km Tiefe werden solche Werte erreicht und dann ist Schicht.

  7. #7 Stefan
    1. Juni 2015

    @Benny
    Die Galileomission hatte 1995 einen atmosphärischen Eintrittskörper dabei. Der Hitzeschild hat in zwei Minuten 80 kg verloren. Nach Öffnen des Fallschirms hat das Ding eine Stunde lang gesendet und ist dabei 150 Kilometer gesunken.

    Wär natürlich lustig, wenn ein großer Asteroid auf der anderen Seite wieder austreten würde.

  8. #8 Andreas
    1. Juni 2015

    Wäre es denkbar, dass ein oder mehrere Monde innerhalb der äußersten Gashülle von Jupiter rotieren, so dass sie für uns nicht sichtbar sind?

  9. #9 Alderamin
    1. Juni 2015

    @Andreas

    Nö, die würden vom Luftwiderstand sofort abgebremst und abstürzen bzw. zerfetzt werden und verglühen. Die Umlaufzeit um Jupiter in niedriger Höhe beträgt knapp 89 Minuten, wenn ich mich nicht verrechnet habe (basierend auf der Fluchtgeschwindigkeit von 59,6 km/s), aber der Planet rotiert in knapp 10h, d.h. man ist im Orbit zwangsläufig mit hoher Geschwindigkeit relativ zur Gashülle unterwegs.

    Ab einer gewissen Größe würde es sie außerdem schon weiter draußen zerreissen (Roche-Grenze).

  10. #10 Jens
    1. Juni 2015

    Kann man aus dem starken Magnetfeld von Jupiter folgern, dass in seinem Inneren flüssiges Eisen ist?

  11. #11 Florian Freistetter
    1. Juni 2015

    @Jens: Nicht zwingend. Denn da ist ja die dicke Schicht aus elektrisch leitendem Wasserstoff. Die tuts auch.

  12. #12 wereatheist
    2. Juni 2015

    @Alderamin, #9:

    Die Umlaufzeit um Jupiter in niedriger Höhe beträgt knapp 89 Minuten, wenn ich mich nicht verrechnet habe

    Hast Du 🙂
    Die minimale Umlaufdauer um eine annähernd kugelsymmetrische Masse hängt nur von ihrer mittleren Dichte ab, je dichter, desto kürzer die Periode.
    Und Jupiter hat weniger als ein 1/3 der Dichte der Erde.

  13. #13 Alderamin
    2. Juni 2015

    @weratheist

    Ich hab’ die 59,6 km/s laut Quelle als Fluchtgeschwindigkeit angesetzt. Die Kreisbahngeschwindigkeit ist dann 1/ Wurzel (2) davon, also 42,14 km/s. Der Umfang von Jupiter ist sein Druchmesser 143000 km * Pi = 449248 km, dividiert durch 42,14 km/s macht das 10660 Sekunden (ok, gestern hatte ich exakt die Hälfte raus, war wohl irgendwie mit Radius und Durchmesser beim Umfang durcheinander gekommen). Macht dann 178 Minuten Umlaufzeit, nicht 89. Danke. Sollte aber jetzt stimmen.

    Ist aber immer noch viel zu schnell im Vergleich zur Rotationsperiode, als dass man da in der Atmosphäre mitschwimmen könnte (ansonsten ginge die Atmosphäre am Äquator verloren).

  14. #14 wereatheist
    2. Juni 2015

    Ich kam auch (im Kopf) auf etwas unter 3h.
    Kein Wunder, das der Planet so stark abgeplattet ist.
    Zur Erforschung der (oberen) Atmosphäre schlage ich intelligente/autonome Gleiter vor, die dank von Orbitern gesendeter Wetterberichte die Thermik nutzen können :).

  15. #16 Alderamin
    7. Juli 2017

    Eine neue Arbeit zeigt, dass Jupiter wahrscheinlich “bottom-up” entstanden ist, d.h. zuerst ein Gesteinskern, der dann Gas aufgesogen hat. Planeten mit mehr als 4 Jupitermassen scheinen hingegen wie Sterne “top-down” durch Kollaps einer Gaswolke zu entstehen.

    http://www.iastro.pt/news/news.html?ID=68

  16. #17 Jacques
    Berlin
    10. Juli 2017

    Vielen Dank für diesen aufschlussreichen Artikel. Ich bin sehr von der Astronomie fasziniert und stellte mir diese Frage gerade in Anbetracht der aktuellen Nasamission. Was ist unter den ikonischen Jupiterstürmen? Ihr Artikel war das sehr hilfreich.

  17. #18 Ambi Valent
    11. Juli 2017

    @Alderamin
    Interpretiere ich das richtig, dass ein sehr massiver Stern üblicherweise von einer entsprechend massiven Gas-Staub-Scheibe begleitet wird, aus der sich dann unabhängig von der Metallizität direkt Gasriesen bzw Braune Zwerge bilden?

    Und dass es bei weniger massiven Sternen dann auf die Metallizität ankommt, aus der sich ergibt, wie schwer ein fester Kern werden kann – und dass es dadurch bei Sternen mit höherer Metallizität eher zur Bildung von Gasriesen kommt (bis zu einer Grenze, was an Material verfügbar ist, denn wäre mehr da, wäre die Gas-Staub-Scheibe massiv genug, um direkt zu kollabieren), während die Planeten von Sternen mit geringer Metallizität eher kleiner bleiben?

  18. #19 Ambi Valent
    14. Juli 2017

    (Der Artikel ist etwas missverständlich formuliert, der Text scheint zu sagen, dass es zuerst an der Metallizität liegt – aber gerade da gibt es bei den beiden Populationen eine große Überschneidung, und immer noch eine kleine bei den Planetenmassen. Also denke ich von den Daten her, dass die beiden Populationen aufgrund der Sternmasse zusammengestellt wurden)