Physiker enträtseln Saturns Energiehaushalt

Ein Schlüsselproblem im Verständnis des Riesenplaneten Saturn ist, dass er etwa doppelt soviel Energie abstrahlt, wie er von der Sonne erhält. Diese interne Energiequelle konnte bisher nicht zweifelsfrei identifiziert werden. Physiker der Universität Rostock haben nun entdeckt, dass in einem großen Teil des Inneren von Saturn die Entmischung von Wasserstoff und Helium auftreten muss.

Saturn
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Rostock - Wasserstoff und Helium sind die beiden Hauptbestandteile der Gasplaneten wie Jupiter und Saturn. Sie "sind unter gewöhnlichen Bedingungen gut mischbar, verlieren diese Eigenschaft aber offenbar unter extremen Bedingungen oberhalb eines Drucks von etwa einer Million Atmosphären in Abhängigkeit von der Temperatur", erklärt Ronald Redmer, Professor für Theoretische Physik an der Universität Rostock. Infolge der Entmischung sinken Helium-Tröpfchen langsam in tiefere Schichten ab und geben dabei Gravitationsenergie frei.

"Dieser bisher nur vermutete Prozess löst damit das Rätsel um die verborgene Energiequelle im Saturn", sagte Redmer. Auch die Aufklärung der physikalischen Ursache für die Entmischung von Wasserstoff und Helium gelang. "Winfried Lorenzen und Bastian Holst konnten zeigen, dass Wasserstoff unter diesen extremen Bedingungen leitfähig wird wie ein Metall, während Helium nichtleitend bleibt", stellte Redmer fest.

Die Bedingungen für Entmischung von Wasserstoff und Helium in Saturn sind ab diesem Druck bis hin zum Kern erfüllt. Im größeren und damit auch wärmerem Jupiter treten sie – wenn überhaupt – nur in einer kleinen Schicht auf.

Winfried Lorenzen hatte sich bereits in seiner Diplomarbeit mit der Entmischung von Wasserstoff und Helium beschäftigt. Dazu hat er in der Arbeitsgruppe von Ronald Redmer aufwendige Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt. "Nur durch den massiven Einsatz von Parallelrechnern waren diese Ergebnisse möglich", so Lorenzen.

Die neuen Erkenntnisse werden das Verständnis des inneren Aufbaus von Saturn und ähnlicher extrasolarer Planeten enorm beeinflussen. Eine zentrale Frage ist in diesem Zusammenhang, ob die großen Planeten eine Schichtstruktur haben und in welcher Tiefe die Grenzen zwischen den Schichten liegen. Die nun in der angesehenen Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse erlauben dazu erstmals genaue Angaben.