Warum Jupiter sich schnell dreht, aber nicht wirklich schnell

Titel: On the Terminal Rotation Rates of Giant Planets (pdf)
Autor: Konstantin Batygin (den wir im Mai letzten Jahres interviewt haben)
Institution des Erstautors: California Institute of Technology
Status: Angenommen in AJ

Gut, dass man auf dem Jupiter überhaupt schlafen kann! Dieser gigantische Gasriese rotiert schneller als jeder andere Planet im Sonnensystem und absolviert einen Tag in weniger als 10 Stunden! Wenn Sie von der Erde auf den größten Planeten in unserem Sonnensystem auswandern würden und immer noch darauf bedacht wären, die für Erwachsene empfohlenen 8 Stunden Schlaf pro Tag zu bekommen, dann blieben Ihnen weniger als zwei Stunden pro Tag, um zu essen, Sport zu treiben und Astrophysik zu studieren. Das ist nicht annähernd genug Zeit! Die zukünftigen Bewohner von Jupiters Wolkenstädten sollten sich jedoch nicht beschweren.

Als Jupiter entstand, akkretierte er seine Atmosphäre (über 95 % der Gesamtmasse des Planeten!) aus dem Wasserstoff- und Heliumgas in der protoplanetaren Scheibe, die unsere Sonne umgibt. Als Jupiter diese Gasmasse verschlang, muss er begonnen haben, sich schneller zu drehen, da er auch den Drehimpuls des Gases verschlang. Schließlich erreichte er die Aufbruchgeschwindigkeit, die als der Punkt definiert ist, an dem die oberen Schichten der Atmosphäre so schnell rotieren, wie ein Objekt rotieren würde, wenn es sich in einer Umlaufbahn um den Planeten in der Nähe der Oberfläche befinden würde. Bei diesen Geschwindigkeiten könnte Jupiter unmöglich noch schneller rotieren. Naiverweise würden wir erwarten, dass Jupiter auch heute noch so schnell rotiert. Wenn wir jedoch die Rotationsperiode des Jupiters anhand seiner Aufbruchgeschwindigkeit berechnen, erhalten wir, dass ein Jupitertag nicht einmal 3 Stunden dauern sollte!

Eigentlich sollten die Bewohner des Jupiters dankbar sein, dass etwas die Rotation des Planeten so weit verlangsamen konnte, dass sie sich die ersten vier Harry-Potter-Filme an einem Tag ansehen können, anstatt nur einen von ihnen. Aber was?

Wir wissen schon lange, dass auch der Saturn viel langsamer rotiert als seine Aufbruchgeschwindigkeit (11 Std. im Vergleich zu 4 Std.). Und wie Eckhart in seiner Dezember-Astrobite zusammenfasste, wissen wir nun, dass auch die Exoplaneten der Gasriesen langsamer rotieren als erwartet. In der heutigen Arbeit versucht Konstantin Batygin, dieses weit verbreitete Rätsel mit der Lösung zu lösen, die man am ehesten erwarten würde: Jupiters Magnetfeld.

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Jupiter und Saturn sind nicht die einzigen Objekte im Sonnensystem, die diesem Rätsel unterliegen. Als die Sonne entstand, akkretierte auch sie Wasserstoffgas aus der Scheibe um sie herum. Daher würde man natürlich erwarten, dass die Sonne noch schneller rotiert als der Jupiter. Doch ein Sonnentag dauert fast einen Monat, und irgendwie bleibt der Sonne nur etwa 1 % des Drehimpulses des Sonnensystems – obwohl sie über 99 % der Masse hat!

Eine Möglichkeit für die Sonne oder jedes andere Objekt, Drehimpuls zu verlieren, ist das Herausschleudern eines Teils ihres Materials. Die führende Erklärung dafür, warum Sterne wie die Sonne auf diese Weise ins Trudeln geraten, wird magnetisches Bremsen genannt. Bei diesem Prozess trägt der Sonnenwind Material aus der Oberfläche heraus, genau wie er es heute tut. Dann verfängt sich ein Teil dieses Materials in den Magnetfeldlinien der Sonne, die es noch weiter aus der Sonne herausschleudern – und dabei einen erheblichen Teil des Drehimpulses der Sonne mitnehmen. Um den Drehimpuls zu erhalten, muss die Sonne ihre Rotationsgeschwindigkeit verringern. Können Gasriesenplaneten das auch?

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Jupiter ist nicht ganz dasselbe wie ein Stern. Er hat keinen Sonnenwind, kann also nicht einfach Material hinausschleudern. Neuere Forschungen darüber, wie Gasriesen ihre Atmosphären akkumulieren, könnten jedoch eine alternative Idee bieten.

Während wir früher annahmen, dass Jupiter Gas direkt an seinem Äquator akkumuliert, zeigen moderne Simulationen, dass er eigentlich Gas von oberhalb seines „Nordpols“ (und unterhalb seines „Südpols“) gesammelt haben müsste. Wie Abbildung 1 zeigt, wird nicht das gesamte Material von Jupiter verschlungen. Ein Teil davon wird nach außen in eine Scheibe um Jupiter herum abgelenkt – die sogenannte zirkumplanetare Scheibe. Diese Scheibe schüttet dann dieses Material zurück in die größere Scheibe um den Stern – die protoplanetare Scheibe, aus der es stammt. Dies gleicht aus, dass Jupiter keinen Sonnenwind hat und gibt ihm eine Möglichkeit, Material und Drehimpuls auszuschleudern.

Der Planet dreht sich langsamer (durch magnetische Bremsung), dann schneller (durch Gravitationskontraktion)

Abbildung 2 zeigt die Entwicklung von Jupiters Rotationsperiode (d.h. die Länge seines Tages) nach seiner Entstehung, mit und ohne magnetische Bremsung. In beiden Modellen nimmt Batygin an, dass Jupiter mit einem doppelt so großen Radius startet, bevor die Schwerkraft ihn in etwa 1 Myr auf seine heutige Größe schrumpfen lässt. Er nimmt auch an, dass der Planet mit der Aufbruchsgeschwindigkeit (etwa 8 Stunden) zu rotieren beginnt.

Ohne jegliche Verlangsamung wird Jupiter einfach schneller, wenn sich der Planet zusammenzieht, um den Drehimpuls zu erhalten. Doch mit magnetischer Abbremsung dreht sich Jupiter zunächst in etwa 25.000 Jahren auf eine Rotationsperiode von 36 Stunden herunter. Dann wird er durch die Gravitationskontraktion wieder auf eine Rotationsperiode von 9 Stunden hochgezogen, bis er seinen aktuellen Radius erreicht hat – ziemlich nah an seiner heutigen Rotationsperiode von 9 Stunden und 56 Minuten!

Nun, da das Modell in diesem Paper gezeigt hat, dass magnetisches Bremsen zu ungefähr der richtigen Rotationsrate für Jupiter (und auch Saturn) führen kann, hofft Batygin, dass zukünftige Arbeiten genauere Aspekte des Problems im Zusammenhang mit der Magnetohydrodynamik (MHD) untersuchen werden, sowohl mit einem analytischen Ansatz (wie mit den Gleichungen in diesem Paper) als auch mit Simulationen (die in diesem Modell nicht direkt verwendet wurden).

Die Astrophysiker, die auf dem Jupiter oder auf Gasriesen-Exoplaneten in anderen Sternensystemen leben, werden pro Tag viel mehr Zeit haben, dieses Problem zu untersuchen. Und vielleicht haben sie sowohl die Magnetfelder als auch die Art und Weise, wie diese Planeten ihre Atmosphären gebildet haben, zu verdanken.