Etwas Seltsames passiert in Saturn

Ungewöhnliche Wellen in den Saturnringen enthüllen das geheimnisvolle Innenleben des großen Gasriesen. Planetarische Wissenschaftler und Modellierer lösen dieses Geheimnis langsam auf.

Milliarden von Partikeln rasen um Saturns 170.000 Meilen (273.600 Kilometer) lange Ringe herum, bei denen es sich hauptsächlich um Wassereis mit ein paar Brocken handelt. Die Ringe sind voller Aktivität, einschließlich Wellen, die spiralförmig nach außen abprallen, am meisten verursacht durch die Anziehungskraft der 62 Monde des Saturn. Wellen, die von den Monden verursacht werden, die sich außerhalb der Kugel der Ringe bewegen, bewegen sich immer nach außen.

Aber dann gibt es eine Reihe von Wellen nach innen gerichtet. Das bedeutet, dass sich auch innen etwas bewegt. [Video: Fliege durch den Weltraum 'In den Saturnringen]

Die meisten Wissenschaftlermodelle von Saturn und anderen Gasriesen nehmen an, dass der Planet ziemlich einheitlich ist - nur eine große Gashülle, die einen kleinen, dichten Kern umgibt, der vielleicht die Größe der Erde hat. Aber durch das Studium der Wellen der Ringe finden die Forscher das Bild viel komplizierter.

"Die eine Sache, die diese [Wellenserie] hervorbringen könnte, ist, dass irgendeine Art von Störung in Saturn sich mit einer Periode von weniger als 7 Stunden dreht", sagte Phillip Nicholson, ein planetarischer Wissenschaftler an der Cornell Universität in New York, zu ProfoundSpace .org. Forscher bemerkten erste Hinweise auf diese Störung in den 1990er Jahren, und Nicholsons Team verwendete genauere Messungen, um die Strukturen der Ringwellen vollständig zu dokumentieren, die die Schwingungen des Planeten im Inneren widerspiegeln - etwa wie wiederkehrende Saturnbeben.

Momentan bietet die Messung dieser Oszillationen den Wissenschaftlern die bestmögliche Möglichkeit, zu erfassen, was weit im Inneren des Planeten vor sich geht, wie zum Beispiel die innere Rotation oder Struktur des Saturns, die nach Ansicht der Wissenschaftler komplizierter zu sein scheint als bisher angenommen.

"Selbst wenn man eine Sonde in die Atmosphäre fallen lässt, würde das nicht unbedingt viel helfen, denn die Sonde wird erst auf einen Druck von fünf oder zehn Atmosphären kommen, bevor sie gekocht oder gequetscht wird", sagte Nicholson. "Wir müssen viel tiefer gehen, um das zu verstehen."

Alles klingelt

Saturn ist nicht der einzige astronomische Körper mit einer Rille; Seit vielen Jahren beobachten Forscher die Schwingungen der Sonne und anderer Sterne. Sogar die Erde hat ein Brummen, und Wissenschaftler nutzen Ganzkörpererschütterungen, ausgelöst durch große Erdbeben, um zu erkennen, was im Inneren vor sich geht.

"Die Grundidee ist, dass wir viele Sterne kennen, einschließlich unserer eigenen Sonne, die bei bestimmten Frequenzen oszillieren, die durch die tatsächliche innere Struktur des Planeten oder des Sterns bestimmt sind", Jim Fuller, Forscher am California Institute of Technology, erzählte ProfoundSpace.org. Fuller studiert und modelliert diese Oszillationen, einschließlich jener im Saturn, aufbauend auf den ersten Arbeiten von Nicholson und seinem Mitarbeiter Matthew Hedman, jetzt an der Universität von Idaho.

Werkzeuge wie das NASA-Weltraumteleskop Kepler, das genau die Helligkeit entfernter Sterne misst, während sie nach um sie kreisenden Planeten suchen, können Informationen über Helligkeitsänderungen zurücksenden, die detailliert genug sind, um die Verschiebung der Sterne zu beobachten - ein Feld, das Astroseismologie genannt wird. Die Helioseismologie, die Schallwellen unterhalb der Sonnenoberfläche misst, hat den Forschern ein detailliertes Verständnis des Materialflusses tief in der Sonne vermittelt. Seismographen können ganze Erdschwingungen direkt messen, indem sie den gleichen Prozess wie gewöhnliche Seismologie verwenden, der den Forschern über Bedingungen tief in der Erde erzählt hat. Aber es ist viel schwieriger, Bewegungen innerhalb von Planeten zu erkennen, auf denen Menschen nicht sitzen.

Betreten Sie die Kroneseismologie, das Studium der Schwingungen im Saturn. Nicholson und Hedman haben den Namen gewählt, weil Kronos (oder Cronus) das griechische Äquivalent des römischen Gottes Saturn ist, ein mächtiger Titan, dessen gleichnamiger Planet entsprechend mächtige Ringe hat. Diese Ringe fungieren als ein seltenes Fenster in die Bewegungen im Herzen des Planeten.

Die Cassini-Raumsonde der NASA, die derzeit den Saturn und seine Monde erforscht, hat mit seinem Visual- und Infrarot-Mapping-Spektrometer sorgfältig gemessen, wie viel Licht von einzelnen Sternen durch die Ringe strahlt. Wissenschaftler können damit die Veränderungen der Ringdichte an verschiedenen Orten berechnen. Forscher können die Muster der Rondichte, in Form von Wellen, die durch die Massenschwingungen im Saturn selbst verursacht werden, herausziehen und diese Muster verwenden, um etwas über den Planeten zu lernen, wie zum Beispiel mit den Klängen einer Geige oder einer Trommel gestalten. [Star Tunes: Komponist setzt glitzernde Daten auf Musik]

Etwas Merkwürdiges

Als Nicholson die von der Saturn-Bewegung verursachte Wellenserie für ein Papier von 2013 zusammenstellte, summierten sie sich nicht ganz. Statt eines regelmäßigen Schwingungsmusters, das aufeinander aufbaute, sah er viele Wellen und vermisste andere.

"Wenn Saturn ein schöner großer Ball aus flüssigem Wasserstoff und Helium, Flüssigkeit und Gas wäre, müsste eigentlich nur eine Frequenz mit jedem dieser Obertöne verbunden sein", sagte er. Stattdessen waren die Messungen wie eine Violine, die mehrere disharmonische Töne spielt, wenn eine Saite geschlagen wird. Es ist "etwas falsch mit deiner Geige, wenn das der Fall ist", sagte er.

Fuller hat Nachforschungen durchgeführt, um mögliche Ursachen für die Dissonanz zu finden. "Saturn muss eine Schicht tief in ihm haben, die stabil geschichtet ist", sagte er. "Aus irgendeinem Grund ist die Flüssigkeit sehr stabil und bewegt sich nicht sehr viel ... Und dieser Teil ist neu, weil die konventionellen Modelle von Riesenplaneten nur konvektive Hüllen [wo sich die Materialien frei bewegen, um Wärme auszutauschen] den ganzen Weg runter sind Aber ich fand heraus, dass diese sehr einfachen Modelle nicht erklären können, was wir in den Ringen sehen. "

Fuller schlug vor, dass die stabilen Schichten eine Reihe von Ursachen haben könnten. Indem er jedes mögliche Szenario modelliert und die Wellen misst, die es erzeugen würde, hoffen er und andere, die Möglichkeiten einzuschränken. Eine Erklärung, sagte er, ist, dass das Helium sich von seinem Gemisch mit Wasserstoff im unteren Teil des Planeten trennt, wegen des höheren Drucks, und sich zu noch tieferen Helium-Regentropfen kondensiert. Dann wäre die Grenze zwischen dem Bereich mit hohem Heliumgehalt unterhalb und dem Bereich mit überwiegend Wasserstoff oberhalb einer stabilen Grenze, sagte Fuller.

Eine andere Erklärung könnte sein, dass sich Eis und Gestein des Kerns nach oben in den Wasserstoff und das Helium auflösen, die den größten Teil des Planeten ausmachen. Auch das würde glatte Schichten von Flüssigkeit unterhalb des turbulenten Gases oben schaffen.

"In der Vergangenheit haben die Menschen an diese Ideen gedacht, aber es war sehr schwierig, sie zu testen, weil wir keine Möglichkeit haben zu sehen, was in Saturn ist", sagte Fuller. "Aber mit der Seismologie bekommen wir zum ersten Mal einen Einblick in diese innere Struktur. Sie ist immer noch ziemlich primitiv, weil wir nur einige der Operationen von Saturn erkennen können, aber es ist genug, um uns einige interessante Perspektiven zu geben zumindest.

Den Schleier heben

Neue Modelle des Inneren eines Gasriesen werden zeigen, welche dieser Möglichkeiten oder andere die tatsächlichen Schwingungen des Saturns erreichen könnten. "Wir warten hauptsächlich auf theoretische Entwicklungen", sagte Nicholson. In der Zwischenzeit greift der Cassini-Orbiter weiterhin detaillierte Daten auf, die den Befund stärker fokussieren. Wenn es sich in noch niedrigere Umlaufbahnen bewegt, könnte es vielleicht auch mehr über subtile Veränderungen der Schwerkraft des Planeten offenbaren.

Forscher schauen sich auch die Ringe von Uranus an, um zu sehen, ob sie etwas über das Innere des Planeten herausfinden können - und es gibt viele andere Ringe, die im Sonnensystem berücksichtigt werden müssen. Aber für den Moment bietet Saturn den besten Einblick in die Tiefen eines Gasriesen, der mit den fernen Planeten verglichen werden kann, die um andere Sterne herum gesehen werden. Exoplanetenforscher wie Jonathan Fortney von der University of California in Santa Cruz sind auf alles gespannt, was den Schleier der Gasriesen durchdringen wird. In der Tat, sagte er, einer seiner Doktoranden wartet, bis Cassini 2017 in den Saturn eintaucht, um die neuen Gravitationsdaten mit der Kronoseismologie zu kombinieren, um ein noch detaillierteres Bild zu erhalten.

"Es gibt ein Paradigma von Riesenplaneten als ziemlich einfache Objekte, wo sie einen Kern aus Eis und Gestein haben, und diese gewaltige Hülle aus Wasserstoff / Helium darüber hinaus", sagte Fortney zu ProfoundSpace.org. "So haben die Menschen meist 50 Jahre lang riesige Planeten modelliert. Aber was die Kronoseismologie sagt, ist, dass es eine Region gibt, die merkwürdig ist, da ist ein Teil der Unterseite des Umschlags nicht einfach, das ist nicht konvektiv. Er sagt uns, dass Saturn ist kein einfaches Objekt, da ist noch etwas mehr los. "