Jupiters elektromagnetische Staubschleuder

Max-Planck-Forscher erklären, wie Jupiters Ringe Nachschub an Staub von dessen Monden erhalten.

4. Januar 2022

Jupiter ist der größte und massereichste unter den acht Planeten im Sonnensystem, ihn umkreisen 80 bekannte Monde. Zudem schmückt ihn ein System aus mehreren Ringen, die allerdings nicht die Pracht der seit Jahrhunderten bekannten Saturnringe erreichen. Die Ringe des Jupiters sind viel lichtschwächer und lassen sich nur unter optimalen Bedingungen beobachten. Ganz überwiegend bestehen sie aus winzigen Staubteilchen, feiner als Zigarettenrauch. Ein Forscherteam vom Moskauer IZMIRAN-Zentrum der russischen Wissenschaftsakademie und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen konnte dem Ringsystem nun mit Computermodellen ein Geheimnis entlocken. Auch die entlegensten Regionen der Ringe erhalten ihren „Staubnachschub“ durch die Einschläge von Mikrometeoriten auf benachbarte Monde. Anders als bislang angenommen sind jedoch die Geschwindigkeiten der schnellsten freigesetzten Staubteilchen so hoch, dass sie die Kräfte im gewaltigen Magnetfeld des Jupiters bis an den äußeren Rand des Ringsystems beschleunigen.

Innerhalb der Bahn des großen Jupitermondes Io, der für seinen intensiven Vulkanismus bekannt ist, kreisen vier kleine Trabanten auf engen Umlaufbahnen um den Riesenplaneten. Insbesondere die beiden kartoffelförmigen Monde Amalthea und Thebe sind für die äußeren Teile von Jupiters Ringsystem wichtig, sie ziehen ihre Bahnen jeweils an den Außengrenzen der beiden äußeren Ringe. Deshalb sind sie nach diesen Monden benannt, sie heißen Amalthea-Ring und Thebe-Ring.

Die Jupitermonde Thebe (links) und Amalthea (rechts)

Die Ringe und ihre zugehörigen Monde stehen in einem intensiven Wechselspiel, denn solche atmosphärelosen Himmelskörper sind einem ständigen Bombardement von Mikrometeoriten ausgesetzt. Das sind winzige Meteorite, die typischerweise kaum einen Mikrometer messen, also kleiner als ein tausendstel Millimeter sind. Aus dem Weltall kommend prasseln sie beständig auf die Mondoberflächen und reißen dort Staubteilchen heraus. Ein weiterer Prozess trägt dazu bei, Staub von den Oberflächen der Trabanten anzuheben. „Besonders an den Polen von Amalthea und Thebe werden Staubpartikel an der Oberfläche dieser Monde durch energiereiche Elektronen aus den Strahlungsgürteln des Planeten elektrisch aufgeladen und durch das Magnetfeld des Jupiters mobilisiert", erklärt der Moskauer Forscher Nikolay Borisov die Resultate einer bereits im vergangenen Jahr mit Harald Krüger vom MPS publizierten Arbeit.

Klar ist also, dass die Ringe aus Staub bestehen, der ursprünglich von den inneren Trabanten Jupiters stammt. Die aktuelle Studie von Borisov und Krüger behandelt nun den äußersten Teil von Jupiters Ringsystem, die sogenannte Thebe-Extension, die sich außerhalb der Umlaufbahn von Thebe an den Thebe-Ring anschließt. Sie wurde von der NASA-Sonde Galileo fotografiert, als sie zwischen 1995 und 2003 den Jupiter umkreiste. Auch der Staubdetektor an Bord, der vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik stammte, hatte damals in der Thebe-Extension die Staubpartikel gemessen. Zwar fand das Instrument dort weniger Partikel als im Thebe-Ring selbst, gleichwohl war ihre Anwesenheit rätselhaft. Welche Kräfte befördern den Staub weg vom Jupiter in die weit außen gelegene Extension?

Das Ringsystem des Jupiters

Eine Studie aus dem Jahr 2008, an der Krüger beteiligt war, versuchte erstmals eine Erklärung, indem sie auf eine „Schatten-Resonanz“ setzte. Die Idee war, dass es zu einer unterschiedlichen Aufladung der Staubteilchen im Sonnenlicht und im Schatten von Jupiter kommt, was letztlich die Thebe-Extension mit Staubteilchen bevölkern sollte. Zu dieser Vorstellung gehörte eine geringe Dichte des Plasmas im inneren Jupitersystem. Bekannt ist, dass diese elektrisch geladenen Partikel hauptsächlich aus den Vulkanen des Mondes Io stammen. Mangels konkreter Messungen wurde damals ein plausibler Wert für die Plasmadichte angenommen. Doch mit der Mission der amerikanischen Sonde Juno, die seit Sommer 2016 den Jupiter umkreist, hat sich das Blatt gewendet: „Im Lichte der neuen Daten ist diese Erklärung überholt“, stellt Harald Krüger fest.

Obwohl die Raumsonde Juno noch nicht bis in den innersten Bereich des Jupitersystems vorgedrungen ist, deuten die bereits vorliegenden Messungen darauf hin, dass das Plasma dort wärmer und dichter ist als bisher vermutet. Die Schattenresonanz funktioniert also nicht als Erklärung und die Forscher nahmen sich die alten Daten der Galileo-Sonde noch einmal vor. Aus den Messungen des Staubdetektors in der Umgebung der großen Monde konnten sie die Geschwindigkeit abschätzen, mit der die Staubteilchen durch die Mikrometeorite auch aus Thebes Oberfläche herausgeschlagen werden. „Die Staubpartikel erreichen Geschwindigkeiten von etwa 1,5 Kilometern pro Sekunde. Das reicht, um das schwache Gravitationsfeld des kleinen Mondes zu verlassen“, so der Max-Planck-Forscher.

Einmal von den Fesseln von Thebes Schwerkraft befreit, sind die elektrisch hochgeladenen Teilchen dem gewaltigen Magnetfeld Jupiters ausgesetzt. Die Rechnungen des Teams zeigen, dass beide Effekte zusammenwirken: Sowohl der Stoß durch den Einschlag der Mikrometeorite als auch die elektromagnetischen Kräfte Jupiters reichen gemeinsam aus, um Staub in die Thebe-Extension zu schleudern. Krüger: „Das Verhalten der Partikel ist abhängig von ihrer Größe: Staubteilchen die mehrere Mikrometer messen, bewegen sich periodisch immer wieder in die Extension. Wenn sie in kleinere Partikel zerbrechen, können sich diese dort trotzdem noch jahrelang aufhalten.“ Anders ergeht es den Staubteilchen, die bereits deutlich kleiner als ein Mikrometer sind, wenn sie Thebe verlassen. Sie schaffen es nur sehr kurz in die Extension und driften dann schnell in den Thebe-Ring zurück.

„Es ist bemerkenswert, dass fast zwei Jahrzehnte nach Ende der Galileo-Mission mit den damaligen Daten immer noch neue Einsichten in Jupiters Ringsystem gelingen“, so Krüger. Gespannt erwarten Borisov und Krüger nun neue Plasma-Messungen der Juno-Sonde. Näher am Ringsystem werden sie helfen, die neue Erklärung zu testen.

 

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