Saturn vibriert wie eine Uhr

ÜÜber die Natur und die innere Struktur der äußeren Gasplaneten in unserem Sonnensystem ist nicht viel bekannt. Dies gilt insbesondere für Saturn, den zweitgrößten Planeten, der die Sonne umkreist. Eine detaillierte Analyse der Messdaten, die die US-Raumsonde Cassini während ihrer dreizehnjährigen Mission in der Umlaufbahn des Ringplaneten gesammelt hat, hat nun überraschende Ergebnisse ergeben. Somit hat das Innere des Saturn anscheinend eine stabile, schalenförmige Struktur.

Von ihrer Ankunft in Saturn im Jahr 2004 bis zu ihrem gezielten Absturz im Jahr 2017 umkreiste die Cassini-Sonde den Ringplaneten mehr als 300 Mal. Sie flog durch und beobachtete die Ringe aus verschiedenen Winkeln. Die Ringe bestehen aus unzähligen, bis zu mehreren Metern großen Klumpen von Wassereis und festen Steinen, die aus der prähistorischen Zeit des Sonnensystems stammen. Trotz ihrer Länge von über 70.000 Kilometern machen diese extrem dünnen Ringe nur einen kleinen Bruchteil der Saturnmasse aus. Zu Beginn der Messungen der Cassini-Sonde waren Wissenschaftler an der Mission der US-Raumfahrtbehörde beteiligt NASA fanden heraus, dass es manchmal ziemlich starke Schwingungen in den Ringen des Saturn gibt. Die meisten Schwingungen sind auf die Bewegung der vielen Saturnmonde zurückzuführen, deren Anziehungskraft auch die Ringe beeinflusst. Ein kleiner Teil der Schwingungen wird offensichtlich vom Saturn selbst erzeugt.

Das Ringsystem von Satur besteht aus mehr als 100.000 Einzelringen. Die meisten von ihnen sind nur wenige Meter dick, während andere einige hundert Meter messen.

Wie auf der Erde und in der Sonne treten auch auf dem Saturn sogenannte natürliche Schwingungen auf. Auf der Erde können sie nach schweren Erdbeben beobachtet werden. Die extrem schnelle Bewegung großer Gesteinsmassen lässt den gesamten Erdkörper oft mehrere Tage lang vibrieren. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem Läuten einer Glocke, die von ihren Klappen getroffen wird. Mit diesen natürlichen Schwingungen kann sich der Erdkörper ein wenig ausdehnen und dann wieder zusammenziehen oder sich ein wenig rhythmisch drehen. Diese langsamen Schwingungen mit Zeiträumen von bis zu einer Stunde können am Boden mit Seismometern gemessen werden.

Auf der Sonne bewirken die Resonanzschwingungen, dass die Oberfläche unseres Zentralsterns rhythmisch schwingt. Diese Schwingungen können mit Teleskopen im Zusammenhang mit der sogenannten Helioseismologie in verschiedenen Wellenregionen beobachtet und aufgezeichnet werden. Aus der Analyse der auftretenden Frequenzen und der relativen Stärke der verschiedenen Amplituden können die Wissenschaftler dann Rückschlüsse auf den Zustand und die Struktur des tiefen Erdinneren und der Sonne ziehen.

Bereits vor 40 Jahren gab es erste theoretische Überlegungen, dass solche Schwingungen auch auf den äußeren Gasplaneten des Sonnensystems existieren müssen. Die ersten Hinweise darauf, dass solche Schwingungen tatsächlich auf dem Saturn existieren, wurden jedoch erst nach einer detaillierten Untersuchung der schwachen Schwingungen in den Saturnringen gefunden, die nicht von den Saturnmonden ausgelöst werden.

Saturnringe (hier ein Abschnitt von oben) sind keine starren, kreisförmigen Scheiben, wie sie uns erscheinen. Sie sind vielmehr in ständiger Bewegung. Saturnmonde und die seismischen Kräfte des Saturn ziehen auf sie zurück.
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Foto: Nasa, JPL-Caltech

Modellberechnungen hatten gezeigt, dass Änderungen im Gravitationsfeld des Planeten dazu führen, dass die Ringe leicht vibrieren. Die Maßeinheiten an Bord der Cassini konnten diese Schwingungen tatsächlich beobachten, indem sie das Licht entfernter Sterne erfassten, die durch die Ringe schienen. Die gemessene Lichtintensität schwankte in charakteristischer Weise, was auf periodische Dichteänderungen innerhalb der Ringe zurückzuführen war. Ein klarer Hinweis auf die Existenz natürlicher seismischer Schwingungen auf dem Saturn.

Die Schalenstruktur im Saturnkern

Wie Christopher Mankovich vom California Institute of Technology in Pasadena in „AGU Advances“ schreibt, Die seismologische Auswertung der gemessenen natürlichen Schwingungen des Saturn ergab ein überraschendes Ergebnis. Im Gegensatz zum Rest des Saturn scheint das tiefe Innere des Gasplaneten mit einem Durchmesser von mehr als 110.000 Kilometern stabil und schalenförmig zu sein. Es ist offenbar nicht den intensiven Konvektionsströmen des Gemisches aus Wasserstoff und Helium ausgesetzt, wie sie aus dem äußeren Teil des Saturn bekannt sind.

Zum ersten Mal konnte Mankovich auch die Länge eines Saturn-Tages anhand der natürlichen Schwankungen genau bestimmen. Es dauert 10 Stunden, 33 Minuten und 38 Sekunden, bis sich der Ringplanet einmal um seine eigene Achse dreht. Die Ungenauigkeit bei den Messungen beträgt ca. 90 Sekunden. Bisher waren die Messungen der Rotationszeit des Planeten ziemlich ungenau und schwanken zwischen zehneinhalb und elf Stunden. Die Ungenauigkeit war auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Gasplanet keine feste Oberfläche hat und Wissenschaftler nur die Bewegungen des Gases in den oberen Schichten des Saturn messen konnten.