Seit über drei Jahrzehnten haben die fernen Planeten Uranus und Neptun keinen Besuch mehr von einer Raumsonde erhalten. Die legendäre Voyager 2, die 1986 und 1989 an ihnen vorbeiflog, lieferte zwar spektakuläre Bilder, doch viele Rätsel blieben ungelöst – etwa die bizarr geneigten Magnetfelder oder die genaue Zusammensetzung ihres Inneren.
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Nun sorgt eine neue Studie für Aufsehen: Forschende der Universität Zürich stellen in einer Arbeit die Annahme infrage, dass Uranus und Neptun Eisriesen seien. Laut der auf dem Preprint-Server „arxiv.org“ veröffentlichten Studie könnten beide Planeten stattdessen überwiegend aus Gestein bestehen. Preprint bedeutet: Eine wissenschaftliche Überprüfung der Studie steht noch aus.
Was über Uranus und Neptun bisher als gesichert galt
Astronominnen und Astronomen bezeichnen Uranus und Neptun als Eisriesen, um sie von den Gasriesen Jupiter und Saturn zu unterscheiden. Modelle der 1980er und 1990er Jahre legten nahe, dass ihr Inneres aus gefrorenen Verbindungen besteht – vor allem aus Wasser, Ammoniak und Methan, die bei den tiefen Temperaturen des äußeren Sonnensystems zu Eis erstarren.
Beobachtungsdaten und theoretische Überlegungen schienen dieses Bild zu stützen: Beide Planeten bestehen zu rund 80 Prozent aus diesen Eis-Komponenten, ergänzt durch Wasserstoff und Helium in den äußeren Schichten. Diese Schichtung galt bislang als Ursache für ihre Magnetfelder und ihre auffällige blaue Farbe.
Neue Studie zu Uranus und Neptun: Sind die Eisriesen in Wahrheit Gesteinsriesen?
In der Arbeit heißt es nun, dass die bisherigen Modelle über den Aufbau der beiden äußeren Planeten auf fragilen Annahmen beruhen. „Wir wollten uns von den tradierten Hypothesen lösen und den inneren Aufbau der Planeten so objektiv wie möglich rekonstruieren“, erläutern die Studienautoren Luca Morf und Ravit Helled. Ihr Ziel sei „eine unverzerrte Sicht auf die möglichen Innenstrukturen“.
Statt ein einzelnes physikalisches Modell zu entwickeln, setzten sie auf ein Verfahren, das in der Astrophysik bislang selten angewandt wurde: sogenannte Zufallsmodelle. Dabei erzeugten sie Tausende Varianten möglicher Innenstrukturen von Uranus und Neptun – jedes mit leicht unterschiedlichen Verteilungen von Gestein, Wasser, Ammoniak und anderen Stoffen. Anschließend verglichen sie diese Modelle mit den bekannten Beobachtungsdaten zu Dichte, Masse und Magnetfeld.
Planetenforscher bestätigen bekannte Annahmen: Wasserstoff, Helium und geheimnisvolle Magnetfelder
Wie die Forschenden schreiben, bestätigten einige der Zufallsmodelle bekannte Annahmen: So bestehen Uranus und Neptun demnach tatsächlich zu weniger als einem Viertel aus Wasserstoff und Helium – ein Befund, der mit gängigen Theorien zur Entstehung des Sonnensystems übereinstimmt. In den äußeren Regionen des Sonnensystems war bei der Planetenbildung zu wenig Gas verfügbar, um Gasriesen wie Jupiter oder Saturn hervorzubringen. Dass Uranus und Neptun also gasärmer sind, war zu erwarten – und wird nun durch die neuen Modelle untermauert.
Auch bei einem zweiten Rätsel, dem Magnetfeld der beiden fernen Welten, liefert die Studie plausible Erklärungen. Seit den Voyager-Vorbeiflügen ist bekannt, dass Uranus und Neptun keine einfachen, erdähnlichen Magnetfelder besitzen. Ihre Magnetachsen sind schräg gestellt, teils sogar seitlich versetzt.
In den neuen Modellen stießen Morf und Helled auf Schichten aus elektrisch leitfähigem Material, vermutlich eine Mischung aus ionisiertem Wasser und Ammoniak. Solche Zonen könnten, so die Autoren, das Magnetfeld wie ein planetarischer Dynamo erzeugen. Wörtlich heißt es in der Studie: „Alle Modelle enthalten konvektive Regionen mit ionischem Wasser [...] Dies bietet eine plausible Erklärung für die beobachteten nicht-dipolaren Magnetfelder.“ Damit ließe sich auch erklären, warum Uranus und Neptun trotz ähnlicher Größe so unterschiedliche Magnetstrukturenbesitzen – und warum ihre Magnetfelder weiter entfernt vom Kern des Planeten entstehen als bei der Erde.
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Uranus und Neptun: Neue Modelle enthüllen überraschend felsiges Inneres
Doch bei der inneren Zusammensetzung fanden die Forschenden Werte, die weit von bisherigen Annahmen abweichen: Bei Uranus variiert das Verhältnis von Gestein zu Wasser zwischen 0,04 und 3,92. „Das bedeutet, dass der Planet theoretisch fast ausschließlich aus Wasser oder fast ausschließlich aus Gestein bestehen könnte“, heißt es in der Arbeit. Auch für Neptun ergibt sich ein ähnliches Bild – wenn auch weniger extrem. „Je nach Modell kann Neptun fünfmal so viel Wasser wie Gestein enthalten oder doppelt so viel Gestein wie Wasser“, schreiben die Autoren.
Mit anderen Worten: Die Daten lassen keine eindeutige Aussage zu, dass Uranus und Neptun tatsächlich Eiswelten sind. Vielmehr sprechen viele Modelle dafür, dass ihr Inneres deutlich felsiger ist, als bislang angenommen. „Die Bezeichnung ‚Eisriesen‘ könnte eher ein historisches Etikett sein als eine robuste physikalische Klassifikation“, schreiben Morf und Helled im Schlusskapitel. Nach den Rätseln um Uranus und Neptun liefert nun auch der rote Planet Schlagzeilen: Auf dem Mars haben Forschende Hinweise auf urzeitliche Ozeane und Strände entdeckt.
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Sollten sich diese Ergebnisse bestätigen, müsste die gängige Klassifikation der äußeren Planeten überdacht werden. Eisriese wäre dann eine irreführende Bezeichnung – treffender wäre der Begriff „Gesteinsriese“. Das hätte weitreichende Folgen für Theorien zur Entstehung des Sonnensystems. Denn bislang ging man davon aus, dass jenseits der „Frostlinie“ – also dort, wo Wassereis stabil bleibt – kaum schweres Gesteinsmaterial vorhanden war.
Wenn Uranus und Neptun jedoch einen deutlich höheren Gesteinsanteil besitzen, stellt sich die Frage, wie dieses Material überhaupt dorthin gelangt ist. Astrophysiker müssten demnach überdenken, wie und wo sich die massereichen Kerne dieser Planeten gebildet haben – und ob sie vielleicht näher an der Sonne entstanden sind, bevor sie sich von ihr entfernten.
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Zukünftige Raumfahrtmissionen zu Uranus und Neptun
Einig sind sich Fachleute darin, dass es für endgültige Antworten mehr Daten braucht – und zwar aus nächster Nähe. Die letzte Mission, die die beiden Planeten besuchte, war Voyager 2. Seitdem stützt sich die Forschung auf Fernmessungen und theoretische Modelle.
Mehrere Raumfahrtbehörden planen daher neue Missionen zu Uranus und Neptun. Laut chinesischer Raumfahrtbehörde CNSA soll die Mission IHP-2 im Jahr 2038 an Neptun vorbeifliegen. Die ebenfalls chinesische Tianwen-4-Mission ist für 2045 geplant und soll den Uranus erreichen – vorausgesetzt, der Start im September 2029 gelingt. Auch die US-Raumfahrtbehörde NASA diskutiert mögliche Vorhaben, eine Entscheidung steht jedoch noch aus. Eine direkte Untersuchung der Planeten könnte entscheidend sein, um die neuen Hypothesen über ihren inneren Aufbau zu prüfen.
