Jupiter: Der Riese mit rotem Fleck

Jupiter: Der Riese mit rotem Fleck

 

Jupiter ist der größte Planet unseres Sonnensystems, er besitzt so viel Masse, dass er die Sonne zu langsamen, aber messbaren Schlingerbewegungen um den gemeinsamen Schwerpunkt zwingt. Er strahlt am Erdhimmel so hell, dass er — mit Ausnahme der Venus — alle anderen Sterne und Planeten überstrahlt.

 

Zusammen mit seiner gelblichen Farbe, die sich ebenfalls von der anderer Planeten unterscheidet, macht ihn dies zu einem »Leuchtfeuer« am Himmel. Es ist daher nicht verwunderlich, dass ihn die antiken Römer als Göttervater betrachteten und ihm im mystischen Himmel einen Platz einräumten, der seiner Bedeutung am realen Himmel entsprach.

 

Auch am Zustandekommen unseres modernen Weltbildes hat er Anteil: Er ist der erste Planet, an dem Monde nachgewiesen wurden. Dank mehrerer Raumsonden konnten seit den 1980er-Jahren enormes Wissen und faszinierendes Bildmaterial über Jupiter, seine Monde und Ringe gesammelt werden.

 

 Jupiter im Sonnensystem

 

Entstehung von Sonne und Planeten

 

Es steht außer Frage, dass Jupiter, abgesehen von der Sonne natürlich, der dominierende Körper des Sonnensystems ist. Seine Masse entspricht etwa 318 Erdmassen, aber nur einem Tausendstel der Sonnenmasse. Wäre er noch 20- bis 80-mal schwerer, so könnte er selbst leuchten und wäre ein — sehr leichter — Stern. Das Material zur Bildung eines zweiten Sterns im Sonnensystem stand zur Verfügung, denn der solare Urnebel, aus dem die Sonne und die Planeten entstanden, hatte mindestens zwei Sonnenmassen. Dies hätte genügt, um neben der Sonne mehrere kleine Sterne sowie Hunderte von Planeten wie Jupiter zu bilden. Dieser Urnebel zog sich unter dem Einfluss der Gravitation zusammen; in der Mitte bildete sich die Sonne, umgeben von einer Scheibe aus Gas und Staub. Im inneren Bereich wurde die Scheibe von der Ursonne aufgeheizt, wobei die Staubkörner verdampften und die Gasmoleküle zum Teil zerstört wurden. Weiter außerhalb waren die Temperaturen niedriger und Staubkörner sowie Gasmoleküle konnten immer wieder miteinander kollidieren. Die Gasdichten waren dabei keineswegs hoch. Selbst ein in irdischen Laboratorien erzeugtes Ultrahochvakuum besitzt eine höhere Gasdichte als der frühere Urnebel der Sonne, in dem sich in jedem Kubikzentimeter nur einige hundert Teilchen befanden. In kosmischen Maßstäben genügte dies aber zur Bildung der Planeten. Gasatome und Moleküle lagerten sich an vorhandene Staubkörner an, die so immer weiter wuchsen. Durch die dabei frei werdende Bindungsenergie heizten sie sich auf, sodass ein ständiges Wechselspiel zwischen Anlagerung, Erhitzung und Verdampfung, zwischen Zerstörung und Wachstum der Staubkörner stattfand. Allmählich überwog das Wachstum. Aus mikroskopisch kleinen Staubkörnern bildeten sich größere, die schließlich zur Größe von Kieselsteinen und Felsen heranwuchsen. Schon nach einigen Millionen Jahren waren Felsen von einigen Kilometern Durchmesser entstanden, die eine geringe, aber spürbare gravitative Anziehungskraft auf ihre Umgebung ausübten und dadurch noch schneller Material anlagern konnten.

 

Planetesimale und das Restgas

 

Ein Teil dieser Planetesimale fand irgendwann nicht mehr genügend Gas und Staub, um weiter zu wachsen. Sie bildeten die Familie der Planetoiden und Kometen. Andere stießen weiter zusammen, blieben aneinander haften und bildeten die terrestrischen (erdähnlichen) inneren Planeten sowie die Kerne der Riesenplaneten, zu denen Jupiter gehört. Im Laufe der Zeit sammelten die Riesenplaneten immer mehr des dort noch reichlich vorhandenen Gases ein.

 

Aufgrund ihrer wachsenden Masse begannen sie zu schrumpfen. Dieser Prozess, der bei höherer Masse zu einer Sonne führt, reichte bei Jupiter nur aus, um ihn kräftig aufzuheizen. Noch heute, fast fünf Milliarden Jahre nach seiner Entstehung, strahlt Jupiter fast doppelt so viel Energie ab, wie er von der Sonne erhält.

 

Das äußere Sonnensystem

 

Jupiter ist fünfmal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde (der mittlere Abstand der Erde von der Sonne wird als astronomische Einheit, AE, bezeichnet). Die Kette der terrestrischen Planeten und damit das innere Sonnensystem endet in etwa anderthalb AE beim Mars. Dann füllt nur noch eine Trümmerwüste aus den Anfängen des Sonnensystems, der Planetoidengürtel, die Leere zwischen den terrestrischen und den Riesenplaneten des äußeren Sonnensystems. Ihren Reigen eröffnet Jupiter, und außerhalb der Jupiterbahn findet man nur noch Gasriesen, die allesamt mehrfach größer und sehr viel massereicher sind als die Erde. Lediglich Pluto, der sonnenfernste Planet, der auf einer äußerst exzentrischen Bahn um die Sonne läuft, stört dieses Bild eines zweigeteilten Sonnensystems. (Allerdings steht die Einordnung Plutos als Planet seit Entdeckung eines zweiten Planetoidengürtels wieder einmal infrage.)

 

Jupiter und die Planetoiden

 

Durch seine Anziehungskraft übt Jupiter deutliche Störungen auf die Planetoiden oder Asteroiden genannten kleinen Himmelskörper aus, von denen die meisten ein Gebiet im Abstand von zwei bis drei AE von der Sonne bevölkern. Von Jupiters Schwerkraft bewirkte Bahnstörungen sind vermutlich die Ursache, dass sich diese kilometergroßen Felsen nie zu einem Planeten zusammenfanden. Sie ist auch die Ursache von Lücken im Planetoidengürtel, in denen sich so gut wie keine Asteroiden befinden.

 

In diesen Kirkwood-Gaps stehen die Umlaufzeiten von Jupiter und einem dort befindlichen Himmelskörper immer in einem einfachen Zahlenverhältnis (etwa 2:3 oder 3:5). Es kommt dort zu einem Resonanz genannten Phänomen, das überall dort auftreten kann, wo Prozesse periodisch angetrieben werden (z. B. bei einer Kinderschaukel). Steht etwa eine Planetoidenbahn in einem 2:3-Verhältnis mit der des Jupiter, so ist dessen Anziehungskraft alle zwei Jupiterjahre besonders stark; auf diese Weise wird allmählich Bewegungsenergie auf den Planetoiden übertragen, der schließlich seine Bahn verlässt und eine neue, geringfügig andere Bahn einschlägt, in der die Störungen durch Jupiter geringer sind.

 

Kometen

 

Jupiter beeinflusst auch die andere Gruppe der präsolaren Trümmer, die Kometen. Alle langperiodischen Kometen kommen aus den äußersten Gebieten des Sonnensystems weit jenseits der Plutobahn, vermutlich aus einer riesigen Wolke um das Sonnensystem, der Oortschen Wolke. Diese hat die Gestalt einer Kugelschale und enthält etliche Milliarden Kometen. Von dort werden sie manchmal durch gravitationsbedingte Störungen oder andere Sterne in das innere Sonnensystem abgelenkt, wobei sie die Jupiterbahn kreuzen.

 

Befindet sich dann der Planet in der Nähe des Kometen, wird dessen Bahn gestört, mit dem Ergebnis, dass er zumeist eine kürzere Umlaufbahn um die Sonne einschlägt. Dies zeigt sich deutlich an einer ganzen Gruppe von Kometen, deren sonnenfernste Punkte im Bereich von fünf AE liegen und die Kometenfamilie des Jupiter genannt wird.

 

Dass solche Bahnänderungen für Kometen keinesfalls folgenlos bleiben müssen, bewies das Schicksal des Kometen Shoemaker-Levy 9, dessen Teile vom 16. 7.—22. 7.1994 auf dem Jupiter einschlugen. Schon lange zuvor war er von den Anziehungskräften des Jupiter in Einzelteile zerrissen worden, die wie Perlen auf einer Kette hintereinander her liefen. Beim Aufprall verursachten sie riesige atmosphärische Störungen, die über Wochen hinweg sichtbar blieben. Am Ort der Einschläge entstanden Gasfontänen, die Tausende von Kilometern in den Weltraum hinaus schossen — das mit 500 Metern Durchmesser größte Bruchstück erzeugte eine Störung von der Größe der Erde.

 

 Das Jupitersystem

 

Vom Jupiter kann man von der Erde aus nur die Atmosphäre beobachten, daher ist diese der mit Abstand am besten erforschte Teil des Planeten. Die Jupiteratmosphäre ist — horizontal und vertikal — stark gegliedert. Mehrere helle und dunkle Streifen umschlingen den Planeten und sind sogar mit kleinen Teleskopen schon gut zu erkennen. Daneben existieren zahlreiche Wirbel, von denen einer, der als »Großer Roter Fleck« bekannt ist, mit kurzen Unterbrechungen seit fast dreihundert Jahren beobachtet werden kann. Anhand dieses deutlichen Strukturmerkmals in der Jupiteratmosphäre (der Fleck ist größer als die Erde) konnte man schon frühzeitig die Rotationsperiode des Planeten messen. Dabei zeigte sich, dass der stark abgeplattete Jupiter in Äquatornähe schneller rotiert als in höheren Breiten. Der Unterschied ist mit 5 Minuten und 10 Sekunden allerdings nur gering. Durch die Vorbeiflüge verschiedener Raumsonden wurden die turbulenten Bewegungen der Jupiteratmosphäre eindrucksvoll dokumentiert. Sie zeigten bereits, dass die Windgeschwindigkeiten bis zu 150 m/s, also 540 km/h, betragen können. Der vorerst letzte irdische Besucher bei diesem Gasriesen, die Raumsonde Galileo, setzte im Dezember 1995 eine Atmosphärensonde ab, die an einem Fallschirm in die Jupiteratmosphäre herabschwebte. Die Sonde konnte nachweisen, dass die Jupiteratmosphäre je nach Tiefe unterschiedlich zusammengesetzt ist. Am häufigsten sind die Moleküle Ammoniak und Ammoniumhydrogensulfat. Zusammen mit nur in geringen Mengen vorkommenden Substanzen wie Methan, Phosphin oder Schwefelwasserstoff entstehen so die verschieden gefärbten Wolkenbänder, in denen besonders Rot- und Gelbtöne dominieren. Leider wurde die Sonde schon in 200 Kilometern Tiefe durch den Druck zerstört. In dieser Tiefe war der Druck auf einige Bar angestiegen, während die Temperaturen etwa 300 K betrugen.

 

Das Jupiterinnere

 

Je tiefer man in die Atmosphäre eindringt, umso mehr steigen Druck und Temperatur an. Die Moleküle lösen sich auf und Jupiter besteht aus Wasserstoff und Helium im Verhältnis 9:1; dies entspricht der Elementhäufigkeit in der Sonne. Anders als auf der Erde verläuft der Übergang zwischen Atmosphäre und Jupiterinnerem allmählich, es gibt verschiedene Definitionen der »Jupiteroberfläche«: Eine wählt die Tiefenschicht, bei welcher der irdische Normaldruck (1,023 bar) herrscht, eine andere diejenige, in der das Gas unter dem hohen Druck in einen metallähnlichen Zustand übergeht. In diesem Zustand verschwimmen die Grenzen zwischen Gas, Flüssigkeit und Festkörper, denn die Dichten sind so hoch, dass die Atome ionisiert sind und die Elektronen sich frei bewegen können — ein Merkmal eines Metalls —, obwohl die Atome keineswegs fest miteinander verbunden sind — ein Merkmal einer Flüssigkeit. Der eigentliche Jupiterkern ist vermutlich das Planetesimal, das einst die Keimzelle dieses Riesenplaneten bildete. Er besteht möglicherweise aus einem Gesteinsbrocken von 15 bis 20 Erdmassen.

 

Das Magnetfeld

 

Im metallisch-flüssigen Inneren des Jupiter können Dynamoprozesse ein gewaltiges Magnetfeld erzeugen. Dieses reicht auf der Sonnenseite des Planeten zwischen 50 und 100 Jupiterradien weit in den Weltraum hinaus, auf der sonnenabgewandten Seite erstreckt es sich sogar bis weit über die Saturnbahn. Innerhalb dieser Magnetfelder sind die Strahlungsdichten extrem hoch und übersteigen ein Mehrfaches der für Menschen tödlichen Strahlungsdosis. Auch gewaltige Polarlichter werden durch die Magnetfelder erzeugt und konnten vom Weltraumteleskop Hubble beobachtet werden. Polarlichter entstehen, wenn ein planetares Magnetfeld geladene Teilchen einfängt. Diese stammen meist aus einem Sonnenwind genannten, von der Sonne ausgehenden Strom geladener Teilchen; es wurden im Magnetfeld des Jupiters jedoch auch geladene Teilchen, etwa Schwefelionen, nachgewiesen, die nur vom Jupitermond Io stammen können.

 

Jupitermonde

 

Schon die ersten Fernrohrbeobachtungen von Jupiter, die 1610 von Galileo Galilei durchgeführt wurden, zeigten vier schwache Lichtpunkte, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Planeten befanden und im Laufe von Stunden ihre Position merklich veränderten. Bald schon erkannte Galilei, dass diese Punkte den Planeten umkreisen, womit die ersten Monde eines Planeten entdeckt waren. Diese vier Monde mit den Namen Io, Europa, Ganymed und Callisto werden zu Ehren Galileis als die Galileischen Monde bezeichnet.

 

Heute sind 16 Jupitermonde bekannt, von denen einige kaum mehr als einige Kilometer Durchmesser haben, während die Galileischen Monde die Größe von Merkur erreichen oder übertreffen. Man vermutet, dass die Zwergmonde eingefangene Planetoiden sind. Neben ihrer geringen Größe bieten auch die teilweise exzentrischen Umlaufbahnen Grund für diese Annahme. Nach der Lage ihrer Bahnen lassen sich die Monde in vier Gruppen einteilen: Die innerste Gruppe besteht aus den vier kleinen Monden Metis, Adrastea, Amalthea und Thebe. Diese Himmelskörper besitzen Durchmesser zwischen 20 und 190 Kilometern und bewegen sich auf nahezu perfekten Kreisbahnen in Jupiters Äquatorebene. Sie werden auch als Trümmermonde bezeichnet, da sie vermutlich zumindest einen Teil der Partikel geliefert haben, aus denen die Jupiterringe bestehen. Die zweite Gruppe wird von den vier Galileischen Monden gebildet, die dritte Gruppe besteht wieder aus Zwergsatelliten, die 155 bis 165 Jupiterradien vom Planeten entfernt sind. Allerdings bewegen sich diese auf exzentrischen Bahnen, die deutlich von der Kreisform abweichen. Die vierte und letzte Gruppe wird erneut von winzigen Monden gebildet, die sich allerdings auf rückläufigen Bahnen befinden, sich also entgegen der Umlaufrichtung der restlichen Monde bewegen. Auch die Form ihrer Bahnen weicht deutlich von der Kreisform ab und ist zudem deutlich gegen die Äquatorebene des Jupiter geneigt.

 

Besuche bei den Galileischen Monden

 

Während über die meisten Jupitermonde nur wenig bekannt ist, wurden die Galileischen Monde durch Raumsonden intensiv untersucht. Die 1989 gestartete Raumsonde Galileo dient bis heute ausschließlich der Erforschung der Eigenschaften dieser Satelliten. Besonders der Mond Io hat es den Wissenschaftlern angetan. Schon auf den ersten Nahaufnahmen deutete seine extrem gelbe Farbe auf ungewöhnliche Vorgänge hin. In der Tat wurden dort aktive Vulkane entdeckt, die einzigen bekannten Vulkane auf einem Mond im Sonnensystem. Genauere Beobachtungen zeigten, dass das Innere von Io aufgrund der gravitativen Gezeitenwirkung durch Jupiter geschmolzen ist. Für Furore sorgte auch der Mond Europa, dessen Oberfläche von dicken Eisschollen bedeckt ist. Unterhalb dieses Eispanzers könnte sich jedoch ein Ozean aus flüssigem Wasser befinden, in dem sich vielleicht sogar die Vorstufen von Leben entwickelt haben könnten. Man erwartet dort das Vorhandensein der dafür erforderlichen chemischen Elemente und auch hinreichend hohe Temperaturen. Auf der Erde kennt man derartige Lebensformen, die ohne Licht, allein aufgrund der chemischen Energie von Vulkanen, existieren können. Weniger öffentlichkeitswirksam, aber wissenschaftlich ebenfalls von großer Bedeutung war die Entdeckung eines Magnetfelds beim Mond Ganymed. Es war das erste derartig starke Magnetfeld eines Mondes; das Feld ist stark genug, um den Mond vor der intensiven Teilchenstrahlung aus dem Jupitermagnetfeld abzuschirmen. Der am weitesten von Jupiter entfernte Galileische Mond Callisto zeichnet sich hingegen durch das vollständige Fehlen aller geologischen Aktivitäten aus. Einzig und allein Meteoreinschläge scheinen seine Oberfläche im Lauf der Jahrmilliarden verändert zu haben.

 

Jupiterringe

 

Erst der Vorbeiflug der Voyager-Sonden am Planeten Jupiter im Jahr 1979 machte das weit ausgedehnte Ringsystem des Planeten sichtbar. Im Gegensatz zu dem Ringsystem des Saturn, das von der Erde aus auch mit kleinen Teleskopen schon deutlich erkennbar ist, sind nämlich die Jupiterringe sehr dünn und bestehen eher aus dunklen Staubteilchen als aus Eis. Quelle der Teilchen sind vermutlich die innersten vier Monde, aber auch vulkanische Eruptionen des Mondes Io könnten zur Entstehung der Ringe beigetragen haben.

 

Ging man ursprünglich davon aus, dass Jupiter nur einen etwa 800 Kilometer breiten und 30 Kilometer dicken Ring besitzt, zeigte sich bald, dass sich außerhalb dieses zuerst entdeckten Rings noch weitere und schwächere Ringe befinden. Die Ringradien reichen jeweils bis zu den Umlaufbahnen der Satelliten Amalthea und Thebe, von denen sie ihre Materie beziehen. Die Ringdicke nimmt nur beim zentralen Ring nach außen hin ab. An ihn schließen sich recht abrupt die wesentlich dickeren Ringe von Amalthea und Thebe an. Ihre Dicke entspricht dabei dem Raumbereich, der von der Bahnneigung der Monde überstrichen wird, ein weiterer Hinweis darauf, dass es sich bei diesen Satelliten um die Quelle des Ringmaterials handelt.

 

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| Physikalische Daten Jupiters                                                                                                                                                        |

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| Äquatorradius     | Abplattung    | Masse                                   | Rotationsperiode     | Äquatorneigung     | Oberflächentemperatur     |

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| 71 492 km         | 0,064 87       | 1,8992 x 10²⁷ kg      | 9h 55m 29,7s         | 3,08°                    | -149 °C                            |

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Literatur:

 

Ludolf Schultz: Planetologie. Eine Einführung. Basel 1993.

 Daniel Fischer und Holger Heuseler: Der Jupiter-Crash. Basel ²1996.

 Daniel Fischer: Mission Jupiter. Die spektakuläre Reise der Raumsonde Galileo. Basel 1998.

 Helmut Zimmermann und Alfred Weigert: ABC-Lexikon Astronomie. Heidelberg ⁸1999.