Warum Neptun und Uranus unterschiedlich sind

Bläulich-grüner Globus und bläulicher Globus mit Streifen nebeneinander.

Uranus (links) und Neptun (rechts). Während die beiden Eisriesenplaneten Ähnlichkeiten aufweisen, weisen sie auch erhebliche Unterschiede auf, die durch Einschläge anderer großer Körper im frühen Sonnensystem erklärt werden könnten. Bild über NASA/JPL/PlanetS.

Wir neigen dazu, Uranus und Neptun in unseren Gedanken in einen Topf zu werfen, fast als wären sie Zwillingswelten. Sie sind fast gleich groß – größer als die Erde, aber kleiner als Jupiter oder Saturn – und beide sind bläulich oder bläulich-grün, mit tiefen Atmosphären und eisigen Innenräumen. Aber, obwohl oberflächlich ähnlich, sind Uranus und Neptun wirklich sehr unterschiedlich. Sie sindmehrunterscheiden sich voneinander, als die meisten denken. Und obwohl ihre Unterschiede immer noch nicht vollständig erklärt wurden, scheint es jetzt, dass mächtige Kollisionen mit rasenden Körpern von Planetengröße – früh in der Geschichte des Sonnensystems – der Schlüssel sein könnten.

Forschende des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS (Planeten)an der Universität Zürich in der Schweiz führte Computersimulationen durch, um die Rolle von Kollisionen bei der Gestaltung der Unterschiede zwischen Uranus und Neptun zu untersuchen. Die Erkenntnisse warenangekündigtvon PlanetS am 4. Februar 2020, mit dem dazugehörigen Forschungspapier zuerstveröffentlichtam 22.11.2019.

Uranus und Neptun sind die beiden am weitesten entfernten bekannten großen Planeten unseres Sonnensystems. Beides wird jetzt berücksichtigtEisriesen. Beide unterscheiden sich grundlegend von den größeren Gasriesen Jupiter und Saturn und von kleineren Gesteinswelten wie der Erde. Uranus und Neptun haben ähnliche Massen und innere Zusammensetzungen. Ihre äußere Atmosphäre besteht aus Wasserstoff, Helium und Methan, während ihreMäntelsind eine Kombination aus Wasser-, Ammoniak- und Methaneis, und ihre Kerne sind eine Mischung aus Gestein und Eis.

Uranus neigt dazu, ein langweiligeres Aussehen als Neptun zu haben und ist meist wolkenlos. Die Atmosphäre von Neptun hat dunklere Streifen als die von Uranus, mit Streifen und Hauch weißer Wolken sowie einem großen „dunkler Punkt. '

Aber es gibt auch bedeutendere Unterschiede zwischen den beiden Welten, und die Forscher wollten wissen, warum. Nach einer Aussage vonChristian Reinhardt, eines der PlanetS-Mitglieder:

… es gibt auch markante Unterschiede zwischen den beiden Planeten, die einer Erklärung bedürfen.



Farbige Kreise, die Kollisionen von Planeten darstellen, einer schräg und einer frontal.

Diagramm, das die Entstehung von Uranus und Neptun darstellt und wie sie sich aufgrund von Einschlägen anderer großer Objekte im frühen Sonnensystem unterschiedlich entwickelten. Bild via Reinhardt & Helled/ ICS/ Universität Zürich/PlanetS.

Ein weiteres Teammitglied,Joachim Stadel, wies darauf hin, dass sich Uranus im Gegensatz zu Neptun und Erde und den meisten anderen großen Planeten unseres Sonnensystems nicht um eine Achse dreht, die nahezu senkrecht zur Bahnebene steht. Stattdessen:

… Uranus und seine Hauptsatelliten sind um etwa 97 Grad in die Sonnenebene geneigt, und der Planet dreht sich in Bezug auf die Sonne effektiv rückläufig.

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass sich die größeren Uranusmonde in stabilen Umlaufbahnen befinden, die mit der Neigung des Planeten ausgerichtet sind. Aber Neptuns größter Mond,Triton, umkreist den Planeten auf einer stark geneigten Umlaufbahn.

Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass die Monde von Uranus aus derselben Staub- und Gasscheibe entstanden sind wie der Planet selbst, während Triton wahrscheinlich einst ein separates Objekt war, das von Neptuns Schwerkraft eingefangen wurde.

Diese und andere Unterschiede deuten den Forschern zufolge auf unterschiedliche Arten von Einschlägen hin, die die beiden Planeten vor langer Zeit getroffen haben.

Kleine Erde neben großem blauem Neptun auf schwarzem Hintergrund.

Größenvergleich von Erde und Neptun. Laut der neuen Studie kollidierten Objekte mit etwa 1 bis 3 Erdmassen nach ihrer Entstehung sowohl mit Uranus als auch mit Neptun. Uranus wurde gerade abgestreift, während Neptun einen Frontalaufprall erlitt. Bild über die NASA/Himmel & Teleskop.

Die Forscher führten Computersimulationen durch, um verschiedene mögliche Kollisionen auf beiden Planeten zu untersuchen. Aus dem Papier:

Trotz vieler Ähnlichkeiten gibt es signifikante Unterschiede zwischen Uranus und Neptun: Während Uranus geneigt ist und eine regelmäßige Reihe von Satelliten hat, was darauf hindeutet, dass ihreZuwachsvon einer Scheibe aus sind Neptuns Monde unregelmäßig und sind eingefangene Objekte. Darüber hinaus scheint Neptun eine innere Wärmequelle zu haben, während Uranusim Gleichgewicht mit Solarisolierung. Schließlich deuten Strukturmodelle auf der Grundlage von Gravitationsdaten darauf hin, dass Uranus zentraler kondensiert ist als Neptun. Wir führen[ed] eine große Suite von hochauflösendenSPH-Simulationenzu untersuchen, ob diese Unterschiede durch riesige Auswirkungen erklärt werden können.

Für Uranus stellen wir fest, dass ein schräger Einschlag seine Rotationsachse neigen und genug Material ausstoßen kann, um eine Scheibe zu bilden, auf der die regulären Satelliten gebildet werden. Einige der Scheiben sind massiv und ausgedehnt genug und bestehen aus genügend Gesteinsmaterial, um die Bildung der regulären Uranus-Satelliten zu erklären.

Für Neptun untersuchen wir, ob eine Frontalkollision das Innere durchmischen könnte … Wir stellen fest, dass massive und dichte Projektile zum Zentrum eindringen und im tiefen Inneren Masse und Energie ablagern können, was zu einem weniger zentral konzentrierten Inneren für Neptun führt.

Wir schließen daraus, dass die Dichotomie zwischen den Eisriesen durch heftige Einschläge nach ihrer Entstehung erklärt werden kann.

Als weiteres TeammitgliedAlice Chau, notiert:

Es wird oft angenommen, dass beide Planeten auf ähnliche Weise entstanden sind.

Diese Ergebnisse zeigen jedoch, dass ihre Entstehung – oder zumindest ihre sehr frühe Geschichte – nicht so ähnlich war wie zunächst angenommen.

Blauer gebänderter Planet mit großem, seltsam strukturiertem Mond im Vordergrund, auf schwarzem Hintergrund.

Neptun und sein größter Mond Triton, dessen Umlaufbahn stark geneigt ist. Tritons Umlaufbahn deutet darauf hin, dass es von der Gravitation von Neptun eingefangen wurde. Unterdessen bildeten sich die Monde von Uranus wahrscheinlich in derselben Gas- und Staubscheibe wie Uranus. Bild über NASA/JPL/USGS/Astronomie.

In einem Szenario, in dem Uranus und Neptun zunächst ähnlicher waren, wurde festgestellt, dass ein Einschlag mit einem Körper von ein bis drei Erdmassen die Unterschiede erklären könnte, die wir heute sehen. Wenn das Objekt statt einer Frontalkollision nur Uranus streifte, wäre das Innere des Planeten nicht betroffen, aber der Aufprall würde immer noch ausreichen, um den Planeten zu kippen.

Umgekehrt hätte die Kollision bei einem Frontalaufprall von Neptun das Innere des Planeten beeinflusst, aber keine Trümmerscheibe gebildet. Dies würde erklären, warum Neptun keine großen Monde in regulären Umlaufbahnen hat. Ein großer Wärmestrom auf Neptun deutet auch darauf hin, dass das Innere bei einer massiven Kollision neu gemischt wird.

Die Simulationen zeigen, dass die beiden Planeten wahrscheinlich ursprünglich viel ähnlicher waren, aber die verschiedenen Arten von Kollisionen haben sie erheblich verändert. Als TeammitgliedRavit Helledgenannt:

Wir zeigen deutlich, dass ein anfänglich ähnlicher Bildungsweg zu Uranus und Neptun zu der Dichotomie führen kann, die in den Eigenschaften dieser faszinierenden äußeren Planeten beobachtet wurde.

Schnittdarstellungen von vier Globen mit Textanmerkungen auf schwarzem Hintergrund.

Vergleich der inneren Strukturen der 2 Gasriesen Jupiter und Saturn und der 2 Eisriesen Uranus und Neptun. Erde ist maßstabsgetreu. Bild überNASA/ Mond- und Planeteninstitut.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, wie zufällige Ereignisse – wie planetarische Kollisionen mit anderen großen Körpern im frühen Sonnensystem – die zukünftige Entwicklung eines Planeten entscheidend beeinflussen können. Uranus und Neptun sind die Welten, die wir heute aufgrund solcher Ereignisse sehen, sagt diese Studie. Was wäre, wenn keiner der Planeten getroffen worden wäre? Was wäre, wenn Neptun statt Uranus gerade abgegrast worden wäre? Wie würden diese Eisriesen heute unter solchen Umständen aussehen? Wir wissen es nicht, aber wir wissen mehr darüber, wie siehätte sein könnenbetroffen sind, wird Wissenschaftlern helfen, die Entstehung dieser Planetentypen sowie der Gasriesen wie Jupiter und Saturn und felsiger Welten wie Erde, Mars, Venus und Merkur besser zu verstehen.

Mit einem besseren Verständnis davon, wie sich die Planeten in unserem eigenen Sonnensystem gebildet und entwickelt haben, können wir dieses Wissen dann auch auf das Studium von Welten in fernen Sonnensystemen anwenden.

Fazit: Eine neue Studie von Forschern von PlanetS beleuchtet, warum Uranus und Neptun in mancher Hinsicht ähnlich sind, sich aber in anderen radikal unterscheiden. Es scheint, dass Kollisionen – früh in der Geschichte des Sonnensystems – der Schlüssel sind.

Quelle: Bifurkation in der Geschichte von Uranus und Neptun (die Rolle von Rieseneinschlägen)

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