Seismisch aktiver Ringplanet

Der Saturn schwingt wie eine Glocke

Von Horst Rademacher
05.09.2020
, 09:00
Die Ringe des Gasplaneten reagieren empfindlich auf dessen seismische Vorgänge. Das zeigen die Daten der Cassini-Sonde. Die Vibrationen zeugen von einer schalenförmigen stabilen Struktur im Inneren des Planeten.

Über die Beschaffenheit und den inneren Aufbau der äußeren Gasplaneten unseres Sonnensystems ist bisher recht wenig bekannt. Das gilt vor allem für den Saturn, den zweitgrößten die Sonne umkreisenden Planeten. Eine detaillierte Analyse der Messdaten, welche die amerikanische Raumsonde Cassini im Laufe ihrer dreizehn Jahre währenden Mission in der Umlaufbahn des Ringplaneten gesammelt hat, fördert nun überraschende Ergebnisse zutage. So weist der Saturn in seinem Inneren offenkundig einen stabilen schalenförmigen Aufbau auf.

Die Cassini-Sonde umrundete von ihrer Ankunft am Saturn im Jahr 2004 bis zu ihrem gezielten Absturz 2017 den Ringplaneten mehr als 300 Mal. Dabei durchflog und observierte sie die Ringe aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Die Ringe bestehen aus unzähligen, bis zu mehrere Meter großen Klumpen aus Wassereis und festen Gesteinsbrocken, die noch aus der Urzeit des Sonnensystems stammen. Trotz ihrer Ausdehnung von mehr als 70.000 Kilometern machen diese extrem dünnen Ringe nur einen winzigen Bruchteil der Masse des Saturn aus. Schon zu Beginn der Messungen der Cassini-Sonde hatten die an der Mission beteiligten Forscher von der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa festgestellt, dass es in den Saturnringen zum Teil recht starke Vibrationen gibt. Die meisten Schwingungen sind auf die Bewegung der vielen Saturnmonde zurückzuführen, deren Anziehungskraft auch auf die Ringe wirkt. Ein kleiner Teil der Schwingungen wird aber offenbar vom Saturn selbst erzeugt.

Wie auf der Erde und auf der Sonne, so treten auch auf dem Saturn die sogenannten Eigenschwingungen auf. Auf der Erde lassen sie sich nach schweren Erdbeben beobachten. Die extrem schnelle Bewegung großer Gesteinsmassen bringt dabei den gesamten Erdkörper häufig mehrere Tage lang zum Schwingen. Dieser Vorgang lässt sich mit dem Klingen einer Glocke vergleichen, die von ihrem Klöppel angeschlagen wird. Bei diesen Eigenschwingungen kann sich der Erdkörper ein wenig ausdehnen und dann wieder zusammenziehen oder sich leicht rhythmisch verdrehen. Diese langsamen Vibrationen mit Perioden von bis zu einer Stunde können auf der Erde mit Seismometern gemessen werden.

Auf der Sonne führen die Resonanzschwingungen dazu, dass die Oberfläche unseres Zentralgestirns rhythmisch vibriert. Diese Oszillationen können im Rahmen der sogenannten Helioseismologie in verschiedenen Wellenbereichen mit Teleskopen beobachtet und erfasst werden. Aus der Analyse der auftretenden Frequenzen und der relativen Stärke der verschiedenen Amplituden können die Forscher dann auf den Zustand und den Aufbau des tiefen Inneren von Erde und Sonne schließen.

Schon vor 40 Jahren gab es erste theoretische Überlegungen, dass es auch auf den äußeren Gasplaneten des Sonnensystems derartige Schwingungen geben müsste. Erste Hinweise, dass es auf dem Saturn tatsächlich solche Vibrationen gibt, fanden sich aber erst bei einer genauen Untersuchungen jener schwachen Schwingungen der Saturnringe, die nicht von den Saturnmonden ausgelöst werden.

Modellrechnungen hatten gezeigt, dass Änderungen des Schwerefelds des Planeten die Ringe leicht vibrieren lassen. Die Messgeräte an Bord von Cassini konnten diese Schwingungen tatsächlich beobachten, indem sie das Licht ferner Sterne aufzeichneten, das die Ringe durchstrahlte. Die gemessene Lichtintensität oszillierte auf charakteristische Weise, was auf periodische Dichteänderungen innerhalb der Ringe zurückgeführt werden konnte. Ein klarer Hinweis auf die Existenz von seismischen Eigenschwingungen auf dem Saturn.

Die Schalenstruktur des Saturnkerns

Wie Christopher Mankovich vom California Institute of Technology in Pasadena in den „AGU Advances“ schreibt, förderte die seismologische Auswertung der gemessenen Eigenschwingungen des Saturns ein überraschendes Ergebnis zutage. Das tiefe Innere des im Durchmesser mehr als 110.000 Kilometer großen Gasplaneten scheint anders als der Rest des Saturns stabil und schalenförmig aufgebaut zu sein. Es unterliegt offenbar nicht den intensiven Konvektionsströmungen des Gemisches aus Wasserstoff und Helium, wie sie aus dem äußeren Teil des Saturns bekannt sind.

Aus den Eigenschwingungen konnte Mankovich auch erstmals die Länge eines Saturntages genau bestimmen. So dauert es 10 Stunden, 33 Minuten und 38 Sekunden, bis sich der Ringplanet einmal um seine eigene Achse gedreht hat. Die in den Messungen steckende Ungenauigkeit beträgt etwa 90 Sekunden. Bisher waren Messungen der Rotationsdauer des Planeten recht ungenau und schwankten zwischen zehneinhalb und elf Stunden. Die Ungenauigkeit lag daran, dass der Gasplanet keine fest Oberfläche besitzt und die Wissenschaftler immer nur die Bewegungen des Gases der oberen Saturnschichten messen konnten.

Quelle: F.A.Z.
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