Hat der Jupiter einen festen Kern?

Die Gasriesen waren für uns schon immer ein Rätsel. Aufgrund ihrer dichten und wirbelnden Wolken ist es unmöglich, einen guten Blick in ihr Inneres zu werfen und ihre wahre Struktur zu bestimmen. Aufgrund ihrer Entfernung von der Erde ist es zeitaufwändig und teuer, Raumfahrzeuge zu ihnen zu schicken, so dass nur wenige Vermessungsmissionen durchgeführt werden. Und wegen ihrer intensiven Strahlung und starken Schwerkraft muss jede Mission, die versucht, sie zu erforschen, sehr vorsichtig sein.

Und doch sind Wissenschaftler seit Jahrzehnten der Meinung, dass dieser massive Gasriese einen festen Kern hat. Dies steht im Einklang mit unseren aktuellen Theorien darüber, wie sich das Sonnensystem und seine Planeten gebildet haben und zu ihren heutigen Positionen gewandert sind. Während die äußeren Schichten des Jupiters in erster Linie aus Wasserstoff und Helium bestehen, deuten Druck- und Dichtezunahmen darauf hin, dass die Dinge näher am Kern fest werden.

Struktur und Zusammensetzung:

Jupiter besteht in erster Linie aus gasförmiger und flüssiger Materie, mit dichterer Materie darunter. Die obere Atmosphäre besteht aus etwa 88-92% Wasserstoff und 8-12% Helium, bezogen auf das Volumen der Gasmoleküle, und etwa 75% Wasserstoff und 24% Helium, bezogen auf die Masse, wobei das verbleibende eine Prozent aus anderen Elementen besteht.

Die Atmosphäre enthält Spuren von Methan, Wasserdampf, Ammoniak und Verbindungen auf Siliziumbasis sowie Spuren von Benzol und anderen Kohlenwasserstoffen. Es gibt auch Spuren von Kohlenstoff, Ethan, Schwefelwasserstoff, Neon, Sauerstoff, Phosphin und Schwefel. In der äußersten Schicht der Atmosphäre wurden auch Kristalle von gefrorenem Ammoniak beobachtet.

Das Innere des Jupiters enthält dichtere Materialien, so dass die Verteilung ungefähr 71% Wasserstoff, 24% Helium und 5% andere Elemente nach Masse beträgt. Es wird angenommen, dass der Jupiterkern aus einer dichten Mischung von Elementen besteht – eine umgebende Schicht aus flüssigem metallischem Wasserstoff mit etwas Helium und eine äußere Schicht, die überwiegend aus molekularem Wasserstoff besteht. Der Kern wurde auch als felsig beschrieben, aber auch dies bleibt unbekannt.

1997 wurde die Existenz des Kerns durch Gravitationsmessungen nahegelegt, die auf eine Masse zwischen dem 12- und 45-fachen der Erdmasse hinwiesen, was etwa 4-14 % der Gesamtmasse des Jupiters entspricht. Das Vorhandensein eines Kerns wird auch durch Modelle der Planetenentstehung gestützt, die zeigen, wie ein felsiger oder eisiger Kern zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte des Planeten notwendig gewesen wäre, um den gesamten Wasserstoff und das Helium aus dem protosolaren Nebel zu sammeln.

Es ist jedoch möglich, dass dieser Kern seither durch Konvektionsströme von heißem, flüssigem, metallischem Wasserstoff, der sich mit dem geschmolzenen Kern vermischt, geschrumpft ist. Möglicherweise ist dieser Kern jetzt sogar nicht mehr vorhanden, aber bevor dies bestätigt werden kann, ist eine detaillierte Analyse erforderlich. Von der im August 2011 gestarteten Juno-Mission (siehe unten) wird erwartet, dass sie Aufschluss über diese Fragen gibt und damit Fortschritte bei der Lösung des Kernproblems ermöglicht.

Enstehung und Migration:

Unsere derzeitigen Theorien zur Entstehung des Sonnensystems besagen, dass sich die Planeten vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus einem Sonnennebel gebildet haben (d. h. Nebelhypothese). In Übereinstimmung mit dieser Theorie geht man davon aus, dass Jupiter durch die Schwerkraft entstanden ist, die Gas- und Staubwolken zusammenzog.

Jupiter erhielt den größten Teil seiner Masse aus Material, das bei der Entstehung der Sonne übrig geblieben war, und wies am Ende mehr als die doppelte Masse der anderen Planeten auf. Es wurde sogar vermutet, dass Jupiter, wenn er mehr Masse angesammelt hätte, zu einem zweiten Stern geworden wäre. Dies beruht auf der Tatsache, dass seine Zusammensetzung ähnlich wie die der Sonne ist – er besteht überwiegend aus Wasserstoff.

Außerdem deuten die aktuellen Modelle zur Entstehung des Sonnensystems darauf hin, dass sich Jupiter weiter entfernt von seiner heutigen Position gebildet hat. Nach der so genannten Grand-Tack-Hypothese wanderte Jupiter auf die Sonne zu und nahm vor etwa 4 Milliarden Jahren seine heutige Position ein. Diese Wanderung, so wird argumentiert, könnte zur Zerstörung der früheren Planeten in unserem Sonnensystem geführt haben – zu denen auch die näher an der Sonne gelegenen Supererden gehören könnten.

Forschung:

Die Juno-Mission war zwar nicht die erste robotische Raumsonde, die den Jupiter besuchte, und auch nicht die erste, die ihn von der Umlaufbahn aus untersuchte (dies geschah durch die Galileo-Sonde zwischen 1995 und 2003), aber sie wurde entwickelt, um die tieferen Geheimnisse des jovianischen Riesen zu untersuchen. Dazu gehören das Innere des Jupiters, seine Atmosphäre, seine Magnetosphäre, sein Gravitationsfeld und die Erforschung der Entstehungsgeschichte des Planeten.

Die Mission startete im August 2011 und erreichte am 4. Juli 2016 eine Umlaufbahn um Jupiter. Als die Sonde in ihre polare elliptische Umlaufbahn eintrat, wurde das Haupttriebwerk 35 Minuten lang gezündet, was als Jupiter Orbital Insertion (JOI) bezeichnet wird. Als sich die Sonde Jupiter von oberhalb seines Nordpols näherte, bot sich ihr ein Blick auf das Jupitersystem, von dem sie ein letztes Bild machte, bevor sie mit JOI begann.

Seitdem führt die Juno-Sonde Perijove-Manöver durch – bei denen sie zwischen der nördlichen und der südlichen Polarregion hin- und herfliegt – mit einer Periode von etwa 53 Tagen. Seit seiner Ankunft im Juni 2016 hat Juno 5 Perijoves absolviert, und bis Februar 2018 sollen es insgesamt 12 sein. Wenn die Mission nicht verlängert wird, wird die Sonde zu diesem Zeitpunkt die Umlaufbahn verlassen und in der äußeren Atmosphäre des Jupiters verglühen.

Während ihrer verbleibenden Vorbeiflüge wird Juno weitere Informationen über die Schwerkraft, die Magnetfelder, die Atmosphäre und die Zusammensetzung des Jupiters sammeln. Man hofft, dass diese Informationen uns viel darüber lehren werden, wie die Wechselwirkung zwischen Jupiters Innerem, seiner Atmosphäre und seiner Magnetosphäre die Entwicklung des Planeten vorantreibt. Und natürlich hofft man, schlüssige Daten über die innere Struktur des Planeten zu erhalten.

Hat Jupiter einen festen Kern? Die kurze Antwort lautet: Wir wissen es nicht … noch nicht. Es ist durchaus möglich, dass er einen festen Kern aus Eisen und Quarz hat, der von einer dicken Schicht aus metallischem Wasserstoff umgeben ist. Es ist auch möglich, dass die Wechselwirkung zwischen diesem metallischen Wasserstoff und dem festen Kern dazu geführt hat, dass der Planet ihn vor einiger Zeit verloren hat.

Zum jetzigen Zeitpunkt können wir nur hoffen, dass die laufenden Untersuchungen und Missionen weitere Beweise liefern werden. Diese werden uns nicht nur dabei helfen, unser Verständnis der inneren Struktur des Jupiters und seiner Entstehung zu verfeinern, sondern auch unser Verständnis der Geschichte des Sonnensystems und seiner Entstehung zu verfeinern.