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Warum sich Uranus und Neptun unterscheiden

Die beiden äussersten Riesenplaneten des Sonnensystems haben ähnliche Massen, aber es gibt auch deutliche Unterschiede. Forschende des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS an der Universität Zürich haben eine Erklärung für dieses seit langem ungeklärte Rätsel gefunden: Heftige Kollisionen lösten bei den beiden Planeten unterschiedliche Reaktionen aus.

Uranus (links) und Neptun aufgenommen von der Raumsonde Voyager 2. Credit: NASA/JPL

Uranus und Neptun sind die äussersten Planeten des Sonnensystems. Hinsichtlich Grösse, Zusammensetzung und der grossen Entfernung von der Sonne sind sie sich sehr ähnlich und unterscheiden sich deutlich von den inneren Gesteinsplaneten sowie den Gasriesen Jupiter und Saturn. «Es gibt jedoch auch auffallende Unterschiede zwischen den beiden Planeten, die einer Erklärung bedürfen», sagt Christian Reinhardt, der Uranus und Neptun studiert hat zusammen mit Alice Chau, Joachim Stadel und Ravit Helled, allesamt PlanetS-Mitglieder, die an der Universität Zürich am Institut für Computational Science arbeiten. «Zum Beispiel sind Uranus und seine wichtigsten Satelliten um etwa 97 Grad in die Ebene der Umlaufbahn um die Sonne gekippt, und der Planet rotiert rückläufig in Bezug auf die Sonne», erklärt Joachim Stadel.

Auch die beiden Satellitensysteme sind unterschiedlich. Die grossen Monde des Uranus befinden sich auf normalen Bahnen, deren Neigung derjenigen des Planeten entspricht. Dies deutet darauf hin, dass sie aus einer Scheibe entstanden sind, ähnlich wie der Erd-Mond. Triton hingegen, der grösste Neptun-Mond, befindet sich auf einer stark geneigten Bahn und ist daher höchstwahrscheinlich ein eingefangenes Objekt. Und auch beim Wärmefluss und der inneren Struktur der beiden Planeten gibt es wahrscheinlich grosse Unterschiede.

Ähnliche Entstehung – unterschiedliche Kollisionen

«Es wird oft angenommen, dass beide Planeten auf ähnliche Weise entstanden sind», erklärt Alice Chau. Dies würde ihre sehr ähnlichen Massen, die mittlere Entfernung von der Sonne und möglicherweise die Zusammensetzung erklären. Aber woher stammen die Unterschiede? Da Zusammenstösse bei der Entstehung und frühen Entwicklung von Planetensystemen häufig vorkommen, wurde ein heftiger Einschlag als Ursprung dieser Abweichung vorgeschlagen. Aber frühere Arbeiten untersuchten entweder nur Einschläge auf Uranus oder lieferten aufgrund starker Vereinfachungen bei den Berechnungen limitierte Resultate.

Die Entstehung von Uranus und Neptun. Grafik: Reinhardt & Helled, ICS, Universität Zürich.

Erstmals untersuchte das Forscherteam der Universität Zürich nun eine Reihe verschiedener Kollisionen auf beiden Planeten mit Hilfe hochaufgelöster Computersimulationen. Ausgehend von sehr ähnlichen Uranus- und Neptun-Vorgängern zeigten die Forschenden, dass ein Aufprall eines Körpers mit 1-3 Erdmassen auf die Planeten diese Unterschiede erklären kann. Im Fall von Uranus kann eine Streifkollision den Planeten kippen, ohne das Innere des Planeten zu verändern.

Bei Neptun hingegen wirkt sich eine Frontalkollision stark auf das Innere aus, bildet aber keine Scheibe, wodurch sich die Absenz grosser Monde auf normalen Bahnen erklären lässt. Eine solche Kollision durchmischt jedoch das tiefliegende Innere neu und sorgt für einen grösseren Wärmestrom wie beobachtet. «Wir zeigen deutlich, dass ein anfänglich ähnlicher Entstehungsweg von Uranus und Neptun zu der Diskrepanz führen kann, die bei den Eigenschaften dieser faszinierenden äusseren Planeten beobachtet wurde”, fasst Ravit Helled zusammen. Zukünftige NASA- und ESA-Missionen zu Uranus und Neptun können neue, entscheidende Rahmenbedingungen für ein solches Szenario liefern, unser Wissen über der Entstehung des Sonnensystems vergrössern und ein besseres Verständnis der Exo-Planeten in diesem Massebereich ermöglichen.

Referenz: Reinhardt et al.: Bifurcation in the history of Uranus and Neptune: the role of giant impacts, MNRAS, DOI: 10.1093/mnras/stz3271