Metallischer Wasserstoff und Helium-Regen in Saturn

Die Planeten unseres Sonnensystems waren bei ihrer Bildung vor 4,56 Milliarden Jahren heiße Objekte, die sich mit zunehmendem Alter abkühlen. Im Gegensatz zu Jupiter scheint Saturn aber wärmer zu sein, als die Modelle der Planetenphysiker vorhersagen.

Seit langem ist man auf der Suche nach der zusätzlichen Energiequelle, die für seine erhöhte Temperatur und damit größere Strahlungsleistung verantwortlich ist. Physiker aus Rostock und Albuquerque (USA) forschen gemeinsam auf diesem Gebiet. Die Ergebnisse des Forscherteams wurden nun im angesehenen Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht.

Sowohl Jupiter als auch Saturn bestehen fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, so dass dazu das Verhalten dieser beiden Elemente unter den extremen Bedingungen im Inneren der Gasplaneten studiert werden muss: Drücke von vielen Millionen Atmosphären und Temperaturen von einigen Tausend Kelvin.

Dazu haben Physiker um Dr. Marcus Knudson vom Sandia National Laboratory in Albuquerque (USA) unter Mitwirkung der AG Statistische Physik um Prof. Ronald Redmer vom Institut für Physik der Universität Rostock nun Experimente durchgeführt und Deuterium, das schwerere Isotop des Wasserstoffs, auf bis zu 3,5 Millionen Atmosphären bei einigen Tausend Kelvin komprimiert.

Das Forscherteam hat dabei nachgewiesen, dass sich die Moleküle des Deuteriums unter diesen extremen Bedingungen abrupt in Atome aufspalten und sich das Wasserstoffisotop danach metallisch verhält.

Damit ist eine Vorhersage von 1935 zur Existenz dieses metallischen Wasserstoffs bestätigt worden.
Als Konsequenz dieses abrupten Übergangs wird nun weiter vermutet, dass sich das in den Gasplaneten vorhandene Helium nicht mehr mit dem nunmehr metallischen Wasserstoff mischt und die sich bildenden, etwas schwereren Helium-Tröpfchen im Planeten nach unten sinken.

Dieser Helium-Regen würde gerade die mysteriöse Energieelle im Saturn erklären und sein Altersproblem lösen. Allerdings war bis zu den Experimenten am Sandia National Laboratory nicht klar, wo dieser Übergang genau liegt und ob er so abrupt verläuft, dass er in der Sprache der Physik ein Phasenübergang 1. Ordnung ist, genau wie der vom festen zum flüssigen Aggregatzustand. Die Experimente bestätigen die theoretischen Vorhersagen der Rostocker Physiker.

Die neuen Ergebnisse könnten auch erklären, wieso Helium-Regen im Saturn auftritt, aber im deutlich größeren Jupiter wohl nicht. In der AG von Prof. Redmer laufen bereits weitere Projekte, um die Konsequenzen der neuen Experimente auf den inneren Aufbau und die Entwicklung von Gasplaneten im Detail zu untersuchen. Die Arbeiten der Rostocker Physiker wurden vom Sonderforschungsbereich 652 und der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Kontakt:
Universität Rostock
Institut für Physik
Prof. Dr. Ronald Redmer
Tel. +49-381-4986910
ronald.redmer@uni-rostock.de

http://www.statistische.physik.uni-rostock.de