Vor fast fünf Milliarden Jahren bildeten sich die riesigen Gasplaneten Jupiter und Saturn offenbar auf radikal unterschiedliche Weise.
So sagt ein Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory der Universität von Kalifornien, der umfassende Computermodelle auf der Grundlage von Experimenten erstellt hat, bei denen das Element Wasserstoff auf einen Druck geschockt wurde, der fast so hoch war wie der in den beiden Planeten.
In Zusammenarbeit mit einem französischen Kollegen erstellte Didier Saumon von der Abteilung für angewandte Physik in Los Alamos Modelle, die belegen, dass schwere Elemente im massiven Kern des Saturn konzentriert sind, während dieselben Elemente im gesamten Jupiter gemischt sind, mit sehr wenig oder gar keinem zentralen Kern. Die im Astrophysical Journal dieser Woche veröffentlichte Studie zeigte, dass feuerfeste Elemente wie Eisen, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Saturnkern konzentriert sind, aber im Jupiter diffundieren, was zu der Hypothese führt, dass sie durch verschiedene Prozesse gebildet wurden.
Saumon sammelte Daten aus mehreren kürzlich durchgeführten Schockkompressionsexperimenten, die gezeigt haben, wie sich Wasserstoff bei Drücken verhält, die millionenfach höher sind als der atmosphärische Druck und sich denen der Gasriesen annähern. Diese Experimente, die in den letzten Jahren in US-amerikanischen nationalen Labors und in Russland durchgeführt wurden, haben erstmals genaue Messungen der sogenannten Zustandsgleichung einfacher Flüssigkeiten wie Wasserstoff im Hochdruck und in der hohen Dichte ermöglicht Bereich, in dem Ionisation für Deuterium auftritt, das Isotop aus einem Wasserstoffatom mit einem zusätzlichen Neutron.
In Zusammenarbeit mit T. Guillot vom Observatoire de la Côte d'Azur, Frankreich, entwickelte Saumon etwa 50.000 verschiedene Modelle der inneren Strukturen der beiden riesigen Gasplaneten, die alle möglichen Variationen enthielten, die durch astrophysikalische Beobachtungen und Laborexperimente zulässig waren.
"Einige Daten früherer Planetensonden gaben uns indirekte Informationen darüber, was sich in Saturn und Jupiter abspielt, und jetzt hoffen wir, mehr von der Cassini-Mission zu lernen, die gerade in der Saturn-Umlaufbahn angekommen ist", sagte Saumon. "Wir haben nur die Computermodelle ausgewählt, die zu den Planetenbeobachtungen passen."
Jupiter, Saturn und die anderen Riesenplaneten bestehen wie die Sonne aus Gasen: Sie bestehen zu etwa 70 Massenprozent aus Wasserstoff, der Rest besteht hauptsächlich aus Helium und geringen Mengen schwererer Elemente. Daher waren ihre inneren Strukturen schwer zu berechnen, da die Zustandsgleichung von Wasserstoff bei hohen Drücken nicht gut verstanden wurde.
Saumon und Guillot beschränkten ihre Computermodelle auf Daten aus den Deuteriumexperimenten und reduzierten damit frühere Unsicherheiten für die Zustandsgleichung von Wasserstoff, die der zentrale Bestandteil ist, der zur Verbesserung der Modelle der Strukturen der Planeten und ihrer Bildung benötigt wird.
"Wir haben versucht, alle möglichen Variationen einzubeziehen, die die experimentellen Daten zur Schockkompression von Deuterium zulassen könnten", erklärte Saumon.
Durch die Schätzung der Gesamtmenge der schweren Elemente und ihrer Verteilung innerhalb von Jupiter und Saturn liefern die Modelle ein besseres Bild davon, wie sich die Planeten durch die Anreicherung von Wasserstoff, Helium und festen Elementen aus dem Nebel gebildet haben, der vor Milliarden von Jahren um die Sonne wirbelte .
"Es besteht allgemeine Übereinstimmung darüber, dass die Kerne von Saturn und Jupiter unterschiedlich sind", sagte Saumon. „Neu ist, wie umfassend diese Modelle sind. Es ist uns gelungen, viele der Unsicherheiten zu beseitigen oder zu quantifizieren, sodass wir viel besseres Vertrauen in den Bereich haben, in den die tatsächlichen Daten für Wasserstoff und damit für feuerfeste Metalle und andere Elemente fallen.
"Obwohl wir nicht sagen können, dass unsere Modelle präzise sind, wissen wir recht gut, wie ungenau sie sind", fügte er hinzu.
Diese Ergebnisse aus den Modellen werden dazu beitragen, die von Cassini und künftig vorgeschlagenen interplanetaren Raumsonden für Jupiter durchzuführenden Messungen zu steuern.
Das Los Alamos National Laboratory wird von der University of California für die National Nuclear Security Administration (NNSA) des US-Energieministeriums betrieben und arbeitet mit den nationalen Laboratorien Sandia und Lawrence Livermore der NNSA zusammen, um die NNSA bei ihrer Mission zu unterstützen.
Los Alamos entwickelt und wendet Wissenschaft und Technologie an, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der nuklearen Abschreckung in den USA zu gewährleisten. Verringerung der Bedrohung durch Massenvernichtungswaffen, Verbreitung und Terrorismus; und nationale Probleme in den Bereichen Verteidigung, Energie, Umwelt und Infrastruktur zu lösen.
Ursprüngliche Quelle: Los Alamos Pressemitteilung
