Saturn vibriert wie eine Glocke
ÜÜber die Natur und die innere Struktur der äußeren Gasplaneten unseres Sonnensystems ist wenig bekannt. Dies gilt insbesondere für Saturn, den zweitgrößten Planeten, der die Sonne umkreist. Eine detaillierte Analyse der Messdaten, die die amerikanische Raumsonde Cassini im Verlauf ihrer dreizehnjährigen Mission in der Umlaufbahn des Ringplaneten gesammelt hat, hat nun überraschende Ergebnisse ergeben. Das Innere des Saturn hat offensichtlich eine stabile, schalenförmige Struktur.
Die Cassini-Sonde umkreiste den Ringplaneten mehr als 300 Mal von ihrer Ankunft am Saturn im Jahr 2004 bis zu ihrem gezielten Absturz im Jahr 2017. Sie flog durch und beobachtete die Ringe aus verschiedenen Winkeln. Die Ringe bestehen aus unzähligen Klumpen aus Wassereis und bis zu mehreren Metern großen Steinen, die aus der prähistorischen Zeit des Sonnensystems stammen. Trotz ihrer Länge von über 70.000 Kilometern machen diese extrem dünnen Ringe nur einen winzigen Bruchteil der Saturnmasse aus. Zu Beginn der Messungen der Cassini-Sonde hatten die an der Mission beteiligten Forscher von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA fanden heraus, dass es manchmal sehr starke Schwingungen in den Ringen des Saturn gibt. Die meisten Schwingungen sind auf die Bewegung der vielen Saturnmonde zurückzuführen, deren Anziehungskraft auch auf die Ringe wirkt. Ein kleiner Teil der Schwingungen wird offensichtlich vom Saturn selbst erzeugt.
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 führt häufig dazu, dass der gesamte Erdkörper mehrere Tage lang vibriert. Dieser Vorgang kann mit dem Klirren einer Glocke verglichen werden, die von ihrem Klöppel getroffen wird. Mit diesen natürlichen Schwingungen kann sich der Erdkörper ein wenig ausdehnen und dann wieder zusammenziehen oder sich leicht rhythmisch drehen. Diese langsamen Schwingungen mit Zeiträumen von bis zu einer Stunde können mit Seismometern auf der Erde gemessen werden.
Auf der Sonne bewirken die Resonanzschwingungen, dass die Oberfläche unseres Zentralsterns rhythmisch schwingt. Diese Schwingungen können mit Teleskopen im Rahmen der sogenannten Helioseismologie in verschiedenen Wellenbereichen beobachtet und aufgezeichnet werden. Aus der Analyse der auftretenden Frequenzen und der relativen Stärke der verschiedenen Amplituden können die Forscher dann den Zustand und die Struktur des tiefen Erd- und Sonneninneren ableiten.
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 nur bei einer detaillierten Untersuchung der schwachen Schwingungen der Saturnringe gefunden, die nicht von den Saturnmonden ausgelöst werden.
Modellberechnungen hatten gezeigt, dass Änderungen im Gravitationsfeld des Planeten dazu führen, dass die Ringe leicht schwingen. Die Messgeräte an Bord von Cassini konnten diese Schwingungen tatsächlich beobachten, indem sie das Licht entfernter Sterne aufzeichneten, die durch die Ringe schienen. Die gemessene Lichtintensität schwankte auf charakteristische Weise, was auf periodische Dichteänderungen innerhalb der Ringe zurückzuführen war. Ein klarer Hinweis auf die Existenz natürlicher seismischer Schwingungen auf dem Saturn.
Die Schalenstruktur des Saturnkerns
Wie Christopher Mankovich vom California Institute of Technology in Pasadena in den „AGU Advances“ schreibt, Die seismologische Auswertung der gemessenen natürlichen Schwingungen des Saturn brachte ein überraschendes Ergebnis ans Licht. 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 die Länge eines Saturn-Tages anhand der natürlichen Schwingungen 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 schwankten zwischen zehneinhalb und elf Stunden. Die Ungenauigkeit war darauf zurückzuführen, dass der Gasplanet keine feste Oberfläche hat und die Wissenschaftler immer nur die Bewegungen des Gases in den oberen Schichten des Saturn messen konnten.
