Saturn: Vom Winde verdreht

Was seine Rotation betrifft, zeigt der Saturn ein merkwürdiges Verhalten. So scheint er sich nicht gleichmäßig um seine eigene Achse zu drehen - aus physikalischer Sicht eigentlich unmöglich. Des Rätsels Lösung liegt weit vom Planeten entfernt, glauben nun einige Forscher.

Maike Pollmann

Saturns Ringe von schräg oben — © NASA, JPL / SSI (Ausschnitt)

Die Umlaufzeit eines Karussells, einer Waschmaschinentrommel oder eines Fahrradreifens lässt sich einfach bestimmen: Man fixiere einen Punkt und zähle die Zeit, die während einer Drehung vergeht. Dieses simple Prinzip lässt sich auch auf Planeten anwenden, vorausgesetzt sie bieten ein auffälliges Gebirge, einen markante Krater oder sonstige feststehende Merkmale. Genau solche sind auf Saturn leider nicht aufzufinden – er besitzt nicht einmal eine feste Oberfläche. Stattdessen wird er von Wolkenschleiern umgeben, die sich alles andere als synchron mit dem Inneren des Gasriesen bewegen.

Saturn, von innen beleuchtet | Blicke unter seine eigenen oberen Wolkenschichten lässt Saturn kaum zu. Im Februar 2006 machte Cassini aus 1,6 Millionen Kilometern Abstand aber eine Serie von Aufnahmen mit seinem Mapping-Spektrometer, das Daten in 352 unterschiedlichen Wellenlängen sammeln kann. Die Fototechniker kombinierten daraus das Licht von 1,07 Mikrometern, 2,71 Mikrometer und 5,02 Mikrometern Wellenlänge und zeigen es in dieser Aufnahme als blau, grün und rot. Der Ring des Planeten erscheint so als dünne, blaue Linie knapp oberhalb des Äquators. Die blau-grünen Bereiche im unteren rechten Bildquadranten verraten Licht, welches von den oberen Wolkenschichten zurückgeworfen wird, rote Regionen dagegen die Wärmestrahlen aus dem Inneren des Saturn – sie sind besonders auf der Nachtseite deutlich. Insgesamt durchleuchten sie die oberen Wolkenschichten je nach deren Dicke von innen heraus. Überrascht waren die Forscher beim Blick auf die Daten anfangs davon, dass Wolken und Dunst auf der Nordhemisphäe deutlich dichter erscheinen – wohl ein saisonaler Effekt. Der kommende Frühling der Nordhalbkugel sollte dies in den nächsten Jahren ändern, spekulieren die Nasa-Wissenschaftler.

Astronomen suchten also andere Mittel und Wege. Und die fanden sie in der vom Ringplaneten ausgehenden Radiostrahlung, deren Intensität sich in regelmäßigen Abständen ändert. Sie entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds in die Magnetosphäre des Saturns eindringen. Vornehmlich passiert das in den Polregionen, wo das Magnetfeld trichterförmig zum Planeten läuft und sich die Magnetfeldlinien verdichten.

Die Intensität der Strahlung hängt nun vom Winkel zwischen Beobachter und den Magnetfeldlinien an der Quelle, also dem Ausgangspunkt der Radiostrahlung ab. Liegt das Magnetfeld nicht symmetrisch zur Drehachse des Planeten, so ändert sich die Richtung des Magnetfelds an der Quelle während einer Umdrehung – und damit das beobachtete Radiosignal. Da das Magnetfeld aber fest mit dem Planeten verankert ist, sollte sich aus dem Intensitätsmuster der Strahlung die Rotationsperiode ableiten lassen.

Im Jahr 1980 fingen die Voyagersonden die Radiowellen erstmals auf. Aus den Daten ermittelten Wissenschaftler damals eine Umlaufzeit von zehn Stunden und 39 Minuten. Merkwürdig an der Sache ist allerdings, dass das Magnetfeld des Saturns eigentlich gar nicht asymmetrisch zu seiner Drehachse liegt und folglich keine periodischen Änderungen der Strahlungsintensität auftreten sollten.

Noch verblüffter zeigten sich die Astronomen über zwanzig Jahre nach Voyager, als die Raumsonde Cassini offenbarte, dass sich die Rotationsdauer des Planeten um etwa sechs Minuten verlängert hatte. Über diesen in astronomischen Maßstäben winzigen Zeitraum hätte sich die Drehung des massereichen Inneren aber unmöglich derart verlangsamen können. Was also verursacht die seltsamen Muster in den Radiowellen?

Saturns innere Uhr | Der Sonnenwind trifft auf die Magnetosphäre des Saturns (blaue Linien) und formt ihre Gestalt. Dabei dreht er aber auch an der "inneren Uhr" des Planeten, anhand derer Astronomen seine Rotationsperiode bestimmen.

Im Verdacht stehen einerseits interne Ursachen: Etwa Materie, die vom Saturnmond Enceladus in die Magnetosphäre gelangte. Andererseits halten die Forscher auch den Einfluss des Sonnenwinds für möglich – jenen geladenen Teilchenstrom, der von der oberen Sonnenatmosphäre ausgeht. Philippe Zarka vom Pariser Observatorium und seine Kollegen kramten sich nun durch Radiodaten, die die Raumsonde Cassini über drei Jahre aufgenommen hatte. Danach schwankt die Periode der Radiowellen in einen Zeitraum von zwanzig bis dreißig Tagen um ein Prozent.

In Simulationen testeten Zarka und sein Team nun verschiedene Ursachen und würden fündig bei der Geschwindigkeit des Sonnenwinds. Diese ändert sich periodisch alle 25 Tage, was der Rotationsdauer der Sonne entspricht. Zwar variieren auch andere Eigenschaften des Partikelstroms, wie Dichte oder Druck, mit derselben Regelmäßigkeit, doch waren die Korrelationen hier nur schwach. Danach scheint die Sonnenwindgeschwindigkeit die Periode der Radioemissionen, zumindest teilweise, zu modulieren – womöglich indem sich die Strahlungsquelle innerhalb der Magnetosphäre verlagert und damit deren Intensität.

Diese Interpretation bleibt allerdings spekulativ, denn einen Mechanismus hinter der wankelmütigen Radioemission liefert der gefundene Zusammenhang noch nicht. So bleibt die Suche nach der wahren Rotation auch weiterhin spannend – anders als bei Karussell, Waschmaschinentrommel und Fahrradreifen.