Eine Illustration von Saturn und seinem „unscharfen“ Kern. Bildnachweis: Caltech/R. Verletzt (IPAC)
Saturn macht Wellen in seinen eigenen Ringen
So wie Erdbeben unseren Planeten zum Grollen bringen, schwingen auch im Inneren von Saturn lassen den Gasriesen ganz leicht herumwackeln. Diese Bewegungen verursachen wiederum Wellen in den Saturnringen.
In einer neuen Studie, die in die Zeitschrift aufgenommen wurde Natur Astronomie, haben zwei Caltech-Astronomen diese sich kräuselnden Ringe analysiert, um neue Informationen über den Kern des Saturn zu enthüllen. Für ihre Studie verwendeten sie ältere Daten, die von NASA Cassini, eine Raumsonde, die den beringten Riesen 13 Jahre lang umkreiste, bevor er in die Atmosphäre des Planeten eintauchte und 2017 zerfiel.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Kern des Planeten keine harte Gesteinskugel ist, wie einige frühere Theorien vorgeschlagen hatten, sondern eine diffuse Suppe aus Eis, Gestein und metallischen Flüssigkeiten – oder was die Wissenschaftler als „unscharfen“ Kern bezeichnen. Die Analyse zeigt auch, dass sich der Kern über 60 Prozent des Durchmessers des Planeten erstreckt und damit wesentlich größer ist als bisher angenommen.
„Wir haben die Ringe des Saturn wie einen riesigen Seismographen verwendet, um Schwingungen im Inneren des Planeten zu messen“, sagt Mitautor Jim Fuller, Assistenzprofessor für theoretische Astrophysik am Caltech. „Dies ist das erste Mal, dass wir die Struktur eines Gasriesenplaneten seismisch untersuchen konnten, und die Ergebnisse waren ziemlich überraschend.“
„Die detaillierte Analyse der Wellenringe des Saturn ist eine sehr elegante Form der Seismologie, um die Eigenschaften des Saturnkerns abzuleiten“, sagt Jennifer Jackson, William E. Leonhard Professorin für Mineralphysik am Seismological Laboratory am Caltech, die nicht an der Studie, verwendet jedoch verschiedene Arten seismischer Beobachtungen, um die Zusammensetzung des Erdkerns zu verstehen und möglicherweise seismische Ereignisse auf Venus in der Zukunft.
Christoph Mankowitsch.
Der Hauptautor der Studie ist Christopher Mankovich, ein Postdoktorand in der Planetenwissenschaft, der in Fullers Gruppe arbeitet.
Die Ergebnisse liefern die bisher besten Beweise für den unscharfen Kern des Saturn und stimmen mit den jüngsten Beweisen der Juno-Mission der NASA überein, die darauf hindeuten, dass der Gasriese Jupiter kann auch einen ähnlich verdünnten Kern haben.
„Die unscharfen Kerne sind wie ein Schlamm“, erklärt Mankovich. „Das Wasserstoff- und Heliumgas auf dem Planeten vermischen sich allmählich mit immer mehr Eis und Gestein, während Sie sich dem Zentrum des Planeten nähern. Es ist ein bisschen wie in Teilen der Ozeane der Erde, wo der Salzgehalt zunimmt, wenn man in immer tiefere Ebenen gelangt, wodurch eine stabile Konfiguration entsteht.“
Die Idee, dass die Schwingungen des Saturn in seinen Ringen Wellen schlagen könnten und die Ringe somit als Seismograph verwendet werden könnten, um das Innere des Saturn zu studieren, entstand in den frühen 1990er Jahren in Studien von Mark Marley (BS '84) und Carolyn Porco (PhD '83 .). ), der später Leiter des Cassini Imaging Teams wurde. Die erste Beobachtung des Phänomens wurde 79 von Matt Hedman und PD Nicholson (PhD '2013) gemacht, die Daten von Cassini analysierten. Die Astronomen fanden heraus, dass der C-Ring des Saturn mehrere Spiralmuster enthält, die durch Fluktuationen im Gravitationsfeld des Saturn angetrieben werden, und dass sich diese Muster von anderen Wellen in den Ringen unterscheiden, die durch Gravitationswechselwirkungen mit den Monden des Planeten verursacht werden.
Nun haben Mankovich und Fuller das Wellenmuster in den Ringen analysiert, um neue Modelle des schwappenden Inneren des Saturn zu bauen.
„Saturn bebt immer, aber es ist subtil“, sagt Mankovich. „Die Oberfläche des Planeten bewegt sich alle ein bis zwei Stunden etwa einen Meter wie ein langsam plätschernder See. Wie ein Seismograph nehmen die Ringe die Gravitationsstörungen auf und die Ringpartikel beginnen zu wackeln“, sagt er.
Jim Fuller.
Die Forscher sagen, dass die beobachteten Gravitationswellen darauf hindeuten, dass das tiefe Innere des Saturn, während er als Ganzes schwappt, aus stabilen Schichten besteht, die sich gebildet haben, nachdem schwerere Materialien in die Mitte des Planeten gesunken waren und sich nicht mehr mit leichteren Materialien über ihnen vermischten.
„Damit das Gravitationsfeld des Planeten mit diesen speziellen Frequenzen schwingt, muss das Innere stabil sein, und das ist nur möglich, wenn der Anteil von Eis und Gestein allmählich zum Zentrum des Planeten zunimmt“, sagt Fuller.
Ihre Ergebnisse zeigen auch, dass der Kern des Saturn 55 Mal so massiv ist wie die gesamte Erde, wobei 17 Erdmassen davon Eis und Gestein sind und der Rest eine Flüssigkeit aus Wasserstoff und Helium.
Hedman, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt ist, sagt: „Christopher und Jim konnten zeigen, dass ein bestimmtes Ringmerkmal starke Beweise dafür liefert, dass der Kern des Saturn extrem diffus ist. Ich freue mich darauf, darüber nachzudenken, was all die anderen von Saturn erzeugten Ringmerkmale uns über diesen Planeten erzählen können.“
Darüber hinaus stellen die Ergebnisse aktuelle Modelle zur Bildung von Gasriesen vor Herausforderungen, die davon ausgehen, dass sich zuerst felsige Kerne bilden und dann große Gashüllen anziehen. Wenn die Kerne der Planeten tatsächlich verschwommen sind, wie die Studie zeigt, könnten die Planeten stattdessen früher im Prozess Gas enthalten.
Referenz: „Ein diffuser Kern in Saturn, der durch Ringseismologie offenbart wurde“ von Christopher R. Mankovich und Jim Fuller, 16. August 2021, Natur Astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-021-01448-3
Das Natur Astronomie Studie mit dem Titel „Ein diffuser Kern im Saturn, der durch Ringseismologie entdeckt wurde“ wurde von der Rose Hills Foundation und der Sloan Foundation finanziert.
