Ein Forschungsteam der Universität Zürich und des NCCR PlanetS stellt das bisherige Verständnis vom Inneren der Planeten des Sonnensystems in Frage. Die Zusammensetzung von Uranus und Neptun, den beiden äussersten Planeten, könnte felsiger und weniger eisig sein als bisher angenommen.

Die acht Planeten unseres Sonnensystems werden in der Regel anhand ihrer Zusammensetzung in drei Kategorien unterteilt: In der Nähe der Sonne befinden sich die vier terrestrischen Gesteinsplaneten (Merkur, Venus, Erde und Mars), gefolgt von den beiden Gasriesen (Jupiter und Saturn) und schliesslich den beiden Eisriesen (Uranus und Neptun).

Laut neuen Untersuchungen von Forschenden der Universität Zürich (UZH) und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) PlanetS könnten Uranus und Neptun eher felsig statt eisig sein. Die Forschenden stellen damit die bisherige Annahme in Frage, die die beiden Planeten einzig als eisreich bezeichneten. Dies deckt sich auch mit dem kürzlichen Befund, dass der Zwergplanet Pluto in seiner Zusammensetzung überwiegend aus Gestein besteht.

Neuer Simulationsprozess entwickelt

Zuerst entwickelte das Team ein neues Modell, um das Innere von Uranus und Neptun zu simulieren. «Die Einstufung als Eisriesen ist möglicherweise zu stark vereinfacht, da die beiden Planeten nur unzureichend verstanden werden», sagt Luca Morf, UZH-Doktorand und Hauptautor der Studie. «Physikalische Modelle gingen bisher von zu vielen Annahmen aus und empirische Modelle waren zu vereinfachend. Wir haben beide Ansätze kombiniert, um neue, neutrale und physikalisch konsistente Modelle zu erhalten», so Morf.

Die Forschenden begannen zuerst mit einem zufälligen Dichteprofil für das Innere des Planeten. Sie berechneten das planetarische Gravitationsfeld, das mit den Beobachtungsdaten übereinstimmte, und leiteten daraus eine mögliche Zusammensetzung ab. Schliesslich wurde der gesamte Prozess viele Male wiederholt, um die bestmögliche Übereinstimmung zwischen den Modellen und den Beobachtungen zu erzielen. Auf diese Weise stellte das Team sicher, dass ihr Modell den Gesetzen der Physik entspricht – wie dem Gleichgewicht zwischen Schwerkraft, inneren Druckkräften sowie Thermodynamik.

Viele neue Möglichkeiten

Dank des neuen Modells fand das UZH-Team heraus, dass die mögljche Zusammensetzung im Inneren der «Eisriesen» unseres Sonnensystems keineswegs auf Eis beschränkt ist – typischerweise dargestellt durch Wasser oder andere flüchtige Materialien. «Das hatten wir vor fast 15 Jahren erstmals vermutet, nun verfügen wir endlich über den rechnerischen Beleg», sagt Ravit Helled, UZH-Professorin am Institut für Astrophysik sowie Direktorin von UZH Space.

Die Studie bringt auch neue Erkenntnisse zum Magnetfeld der beiden äusseren Planeten des Sonnensystems. Während auf der Erde klare Nord- und Südpole bestehen, sind die Magnetfelder von Uranus und Neptun chaotischer und haben mehr als nur zwei Pole. «Wir haben zudem festgestellt, dass das Magnetfeld des Uranus tiefer liegen könnte als dasjenige von Neptun», erklärt Ravit Helled.

Die Notwendigkeit neuer Weltraummissionen

Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, dennoch bleibt eine gewisse Unsicherheit. «Physiker verstehen noch immer kaum, wie sich Materialien unter den Druck- und Temperaturbedingungen im Inneren eines Planeten verhalten. Dies könnte unsere Ergebnisse beeinflussen“, sagt Luca Morf, der die Modelle noch erweitern möchte.

Generell ebnen die Studienergebnisse den Weg für neue mögliche Szenarien, wie die beiden Planeten im Inneren zusammengesetzt sind. Die an der UZH im Rahmen des NCCR PlanetS entwickelte Methode weist neue Wege für die zukünftige materialwissenschaftliche Forschung unter planetarischen Bedingungen. «Sowohl Uranus als auch Neptun könnten je nach Modellannahmen Gesteinsriesen oder Eisriesen sein. Die derzeitigen Daten reichen jedoch nicht aus, um die beiden Varianten zu unterscheiden. Dazu bräuchte es wohl gezielte Missionen zu Uranus und Neptun», sagt Helled.