Wissenschaft

Wie lange dauert ein Tag auf dem Saturn?

Der Gasriese war lange der einzige Planet unseres Sonnensystems, über den diese wichtige Information fehlte.Friday, January 25, 2019

Von Robin George Andrews
Der Schatten des Saturns scheint sich einen Bissen der berühmten Planetenringe zu genehmigen. Dieses Bild ist aus einigen der letzten Aufnahmen zusammengestellt worden, die die NASA-Raumsonde Cassini im Oktober 2016 dokumentierte.

Die Schönheit der filigran anmutenden Ringe des Saturns ist unbestritten, doch die Faszination, die sie auf viele Menschen ausüben, ist nicht alleine ihrer Ästhetik geschuldet. Diese Ringe liefern auch unglaubliche wissenschaftliche Erkenntnisse.

Kürzlich wurde im The Astrophysical Journal eine Studie veröffentlicht, die die Planetenringe dazu nutzte, eine überraschend frustrierende Frage zu klären: Wie lange dauert ein Tag auf dem Saturn? Die Antwort: 10 Stunden, 33 Minuten und 28 Sekunden.

Diese Angabe ist wichtig, da sie „eine wesentliche und individuelle Eigenschaft jedes Planeten im Sonnensystem ist“, gibt Bill Kurth an, ein Physiker der University of Iowa. Er arbeitete an der Cassini-Mission der NASA, wirkte jedoch nicht an der Studie mit. Wenn man weiß, wie lange der Tag auf einem bestimmten Planeten dauert, kann das bei der Bestimmung seines Gravitationsfelds und seiner internen Struktur helfen. Der Saturn hat um diese Information jahrzehntelang ein großes Geheimnis gemacht.

„Der Saturn ist ein Planet, dessen Rotation schwer zu messen ist“, sagt Matthew Tiscareno, ein leitender Forscher am SETI Institute, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Er erklärt, dass die Gesteinsplaneten Oberflächenstrukturen besitzen, deren Bewegung verfolgt werden können. Die anderen drei Gasplaneten besitzen diese nicht, dafür jedoch geneigte Magnetfelder, die sich durch die Rotation der Planeten bewegen. Diese Bewegungen können genutzt werden, um die Rotationsgeschwindigkeit der einzelnen Planeten zu bestimmen.

Der Saturn spielte dieses Spiel jedoch nicht mit. Die wirbelnden, chaotischen Wolken des Gasriesen sorgten dafür, dass keine Oberflächenstrukturen erkannt werden können. Dazu kommt, dass mehrere Sonden, die den Saturn umkreisten, Daten eines erstaunlich stabil ruhenden Magnetfelds übermittelten. Es ist beinahe perfekt am Rotationspol des Planeten ausgerichtet. Das führt dazu, dass die Rotation keine messbare Bewegung im Magnetfeld auslöst.

Die Marschtrommel des Sonnensystems

Jahrelang war nicht klar, wie man diese Zwickmühle lösen konnte. Dann hatte Christopher Mankovich, ein Doktorand in Astronomie und Astrophysik an der University of California, Santa Cruz, eine Idee.

Die Ringe des Saturn stehen keineswegs still. Sie zeigen manchmal Zuckungen oder Wellen. In der Regel passiert das, wenn planetenumkreisenden Monde an der Mischung aus Eis und Staub vorbeiziehen, aus der die Ringe bestehen.  Aber diese Wellen können auch von den Schwingungen der Materie tief im geheimnisvollen Inneren des Saturns ausgelöst werden. Wenn eine sich bewegende Masse im Gravitationsfeld des Planeten Veränderungen auslöst, zieht auch das an den Ringen.

Das funktioniert ein bisschen wie bei einer Marschtrommel: Etwas trifft auf den Körper des Instruments und die Schnarrsaiten reagieren darauf.

„Man kann seine Schwingungen zwar nicht hören, aber der Saturn verhält sich ähnlich wie ein Musikinstrument“, erklärt Mankovich. „Sein Klang, das heißt die Frequenz der Schwingungen, wird von seiner Gesamtstruktur bestimmt: seiner Größe, Form, seinem Aufbau, seiner Temperatur, und so weiter.“

Es ist nicht schwer, diese Wellen auszulösen. Wenn eine Masse, von vergleichbarer Größe der eher kleinen Monde des Saturns, sich im Planeten bewegt, kann das ein Vor- und Zurückschwingen der Ringe bewirken. Wenn diese Schwingungen zu der Frequenz des Ringorbits passen, verursacht das eine Resonanz, was das leichte Schwingen zu einer deutlich messbaren Spiralwelle macht.

Diese Aufnahme der Cassini aus dem August 2009 zeigt die Ringe des Saturns in ihren natürlichen, gedeckten Farben.

Die Eigenschaften dieser Wellen hängen davon ab, was sie durchdringen und was sie ausgelöst hat. Mit diesen Informationen im Hinterkopf entwickelte Mankovichs Team ein maßgeschneidertes numerisches Modell. Es diente nicht nur dazu, einigen der Vorgänge im Inneren des Planeten auf die Spur zu kommen, sondern auch endlich die genaue Länge eines Tags auf dem Saturn zu berechnen.

Tiscareno bezeichnet die Arbeit des Teams als „sorgfältig und verlässlich“.

Eine Monster-Sonde

Warum stieß man erst jetzt auf diese Erkenntnis? Die Tatsache, dass die interne Masse des Saturn und ihr unberechenbares Verhalten Wellen in den Ringen auslösen können, wurde schon zu Beginn der 1990er-Jahre beweiskräftig dokumentiert, sagt Tiscareno. Zudem wurden kürzlich mehrere Studien unter der Leitung von Matthew Hedman von der University of Idaho veröffentlicht. Deren Ergebnisse bestärken das Vorhaben, eine Kronoseismologie zu entwickeln. Damit bezeichnen die Wissenschaftler die Möglichkeit, durch die Ringe des Saturns festzustellen, was in seinem Inneren abläuft. Dieses Konzept wurde erstmals im Jahr 1982 vorgestellt.

Die Lösung des Rätsels lag schließlich in der großen Sonde Cassini, meint James O’Donoghue, ein Planetenwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA, der nicht an der Studie beteiligt war.

Diese Aufnahme der Cassini aus dem Jahr 2016 zeigt Titan, den größten Mond des Saturns, über den Planetenringen.

Es haben schon viele Sonden den Saturn besucht, doch Cassini – eine Monstersonde – umkreiste den Planeten 13 Jahre lang. Sie war mit Instrumenten bestückt, die die Ringe mit noch nie dagewesener Genauigkeit beobachten konnten. Das machte es möglich, winzige Details zu sehen, zu denen auf der Erde stationierte Teleskope nicht in der Lage sind, sagt O’Donoghue.

Wir wissen zwar, dass etwas im Innern des Gasriesen diese Ringwellen verursacht, was genau das ist, weiß jedoch niemand. Eine neue Abhandlung auf der Vorabdruck-Seite arXiv.org beschäftigt sich damit, dass gigantische Einschläge in der Vergangenheit des Saturns dafür verantwortlich sein könnten. Der Effekt wäre dem „schlagen einer Glocke“ nicht unähnlich und würde fortlaufend das Chaos im Inneren verursachen, kommentiert Mankovich.

Aber für den Moment ist er der Meinung, dass „der Verursacher dieser Schwingungen im Saturn vorerst für alle ein Geheimnis bleiben wird.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.

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