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Die „Planetenzwillinge“ Uranus und Neptun könnten an unterschiedlichen Orten entstanden sein
Kosmische Zwillinge mit verschiedener Vergangenheit? Uranus und Neptun ähneln sich in Größe und Aufbau, doch ihre tiefen Atmosphären könnten sich chemisch deutlich unterscheiden. Neue Modellrechnungen weisen auf einen höheren Sauerstoffanteil im Neptun hin. Das könnte bedeuten, dass seine Bausteine näher an der jungen Sonne entstanden als die des Uranus.
San Antonio (U.S.A.). Uranus und Neptun gelten als Geschwister unter den Planeten: Beide sind ähnlich groß, besitzen dichte Atmosphären und kreisen weit außerhalb der Saturnbahn um die Sonne. Doch ob die beiden Eisriesen auch aus demselben Vorrat an Gas, Staub und Eis entstanden, ist bislang ungeklärt.
Ein Blick ins Innere könnte diese Frage beantworten. Allerdings verdecken mächtige Wolkenschichten die tieferen Atmosphären, und bisher hat nur die Raumsonde Voyager 2 beide Planeten aus der Nähe besucht. Besonders die Menge an Wasser und damit Sauerstoff unterhalb der sichtbaren Wolken lässt sich nicht direkt bestimmen.
Forscher der Aix-Marseille Université (amU) um Tom Briand haben deshalb Messdaten und chemische Atmosphärenmodelle verknüpft, um die verborgene Zusammensetzung der beiden Planeten abzuschätzen. Der Vergleich deutet darauf hin, dass ihre äußere Ähnlichkeit eine unterschiedliche Entstehungsgeschichte verdecken könnte.
„Uranus und Neptun mögen heute wie Zwillinge aussehen, doch ihre Chemie zeigt, dass sie eher Cousins mit sehr unterschiedlicher Geschichte sind“, erklärt Dr. Olivier Mousis vom Southwest Research Institute (SwRI).
Entscheidend ist ein Gas, das sich weit oberhalb der verborgenen Wasserschichten nachweisen lässt: Kohlenmonoxid (CO). Es steht tief im Planeteninneren mit wasserhaltigen chemischen Reaktionen in Verbindung. Aufsteigende Gasströmungen transportieren einen Teil davon in kühlere Höhen, wo die chemischen Reaktionen zunehmend langsamer ablaufen. Die dort gemessene CO-Menge kann deshalb Hinweise auf den Sauerstoffgehalt weiter unten liefern.
Das Team hat unter anderem Beobachtungen des Radioteleskopverbunds Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ausgewertet. Für Uranus bezogen die Forscher CO-Messungen aus dem Jahr 2022 ein, für Neptun bereits vorliegende Beobachtungsdaten. Anschließend simulierten sie, wie chemische Reaktionen, Methangehalt, Temperatur und vertikale Durchmischung je nach geografischer Breite zusammenspielen.
„Wir können die tiefen Atmosphären von Uranus und Neptun nicht direkt erreichen, aber chemische Spurenstoffe erlauben uns, die Bedingungen unter ihren sichtbaren Wolken zu erforschen“, sagt Mousis.
Das Ergebnis: Unter den verwendeten Modellannahmen beträgt das Sauerstoff-Wasserstoff-Verhältnis im Inneren des Uranus etwa das 62- bis 177-Fache des ursprünglichen Sonnenwerts. Beim Neptun ergibt sich mit dem 222- bis 342-Fachen ein deutlich höherer Bereich. Diese Angaben sind keine direkten Sauerstoffmessungen, sondern aus den CO-Daten und der modellierten Durchmischung abgeleitete Schätzungen.
Aus den geschätzten Sauerstoffmengen und dem Kohlenstoffgehalt berechnete das Team das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff. Für Uranus liegen die Modellwerte zwischen 0,06 und 0,52, für Neptun zwischen 0,02 und 0,12. Der Neptun weist demnach tendenziell ein kleineres Verhältnis auf. Allerdings überschneiden sich die möglichen Werte beider Planeten zwischen 0,06 und 0,12.