Innenleben von Planetenriesen im Labor

Zu dicht, um zu schmelzen: Forscher haben im Labor die Bedingungen erzeugt, wie sie im Inneren von Supererden und Gasriesen herrschen. Ihr Experiment deutet darauf hin, dass das Gestein im Kern von Jupiter oder Saturn fest sein könnte und wirft auch ein neues Licht auf das Innenleben von Supererden, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“, berichten.

Das Innere unseres Planeten ist ein höllischer Ort: Tausende Grad Hitze und ein Druck millionenfach höher als in der Erdatmosphäre pressen das Gestein so stark zusammen, dass nur noch bestimmte, sehr kompakte Mineralformen existieren können. Der Druck ist so groß, dass er trotz der enormen Hitze sogar das Schmelzen verhindert – jedenfalls bis zu einem bestimmten Punkt. Auch die Eigenschaften der Minerale verändern sich unter diesen Bedingungen.

„Wie viel Hitze Feststoffe aushalten können, bevor sie unter diesem hohen Druck schmelzen, ist der Schlüssel zur internen Struktur und Evolution eines Planeten“, erklärt Marius Millot vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Wie es jedoch im Inneren von Gasriesen wie Jupiter und Saturn oder Eisriesen wie Neptun und Uranus aussieht, ist bisher nur in Teilen klar.

Kristallstruktur von Stishovit, einer Hochdruckform des Siliziumdioxids. © Krizu/ CC-by-sa 3.0

Laserpulse als Planetensimulator

Ein Grund dafür: Es fehlten die Methoden, um das Verhalten wichtiger Minerale unter diesen Bedingungen im Labor nachzustellen. Dies ist Millot und seinen Kollegen nun für eine Hochdruckform des Siliziumdioxids gelungen, das Stishovit. Diese kompakte Quarzvariante findet sich in der Natur beispielswiese in Meteoritenkratern, wo sie durch die extremen Bedingungen des Einschlags entsteht.

Die Forscher erzeugten in ihrem Experiment Millimeter kleine Kristalle von Stishovit und bombardierten diese mit energiereichen Laserpulsen. Dies löste Schockwellen im Kristall aus, der diesen stark komprimierte und die Forscher so erstmals testen ließ, wie sich dieses Mineral unter Drücken von bis zu 500 Gigapascal verhält.

Siliziummineralien in Jupiter und Saturn sind fest

Das Ergebnis: Bei den enormen Drücken steigt die Schmelztemperatur des Siliziumdioxids auf 8.300 Kelvin an. Dies entspricht etwa der Temperatur an der Grenze zwischen Mantel und Kern, wie sie bei einer Supererde von rund fünffacher Masse der Erde herrschen. Zudem liegt diese Schmelztemperatur im gleichen Bereich wie die Schmelztemperatur von Eisen unter diesen Bedingungen.

Dieses Ergebnis spricht dafür, dass das Siliziumdioxid in den Kernen von Neptun, Uranus, Saturn und Jupiter wahrscheinlich fest ist. „Diese festen Kerne wären dann nicht an der Erzeugung des Magnetfelds beteiligt“, so die Forscher. Eine flüssige, darüberliegende Schicht müsste dafür verantwortlich sein.

{3l}

Neuer Blick in Supererden

Die neuen Ergebnisse werfen aber auch ein neues Licht auf Supererden um fremde Sterne: Demnach könnten nur Supererden der Größe von bis zu fünf Erdmassen ein erdähnliches Innenleben mit einem flüssigen äußeren Eisenkern und einem festen siliziumhaltigen Mantel darüber besitzen. Damit wäre auch ihr Magnetfeld möglicherweise erdähnlich, denn dafür spielt der flüssige Eisenkern eine entscheidende Rolle.

Größere, steinige Exoplaneten wie Kepler-20b oder 55 Cancri e hätten dagegen einen Magmaozean aus geschmolzenem Gestein als unteren Mantel. Wie die Forsher erklären, könnte auch dieser unter bestimmten Bedingungen ein Magnetfeld erzeugen und auch mögliche Gezeiteneffekte durch die Schwerkraft ihres Sterns beeinflussen. (Science, 2015; doi: 10.1126/science.1261507)

(Science/ Lawrence Livermore National Laboratory, 26.01.2015 – NPO)