Ein Forschungsteam der Northumbria University im Vereinigten Königreich nutzte das fortschrittlichste James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), um eine wichtige Antwort auf ein Problem zu finden, das die Planetenwissenschaftsgemeinschaft seit Jahrzehnten beschäftigt: Warum scheint sich die Rotationsgeschwindigkeit des Saturn abhängig von verschiedenen Messmethoden zu „ändern“?
Die neueste im „Journal of Geophysical Research: Space Physics“ veröffentlichte Forschungsarbeit hat erstmals detaillierte Bilder der Temperatur und der Verteilung geladener Teilchen in Saturns Polarlichtern kartiert und gezeigt, dass dieses Phänomen von einem kontinuierlichen, sich selbst erhaltenden Rückkopplungssystem herrührt, das von Saturns Polarlichtern angetrieben wird, wodurch die Illusion von „Rotationsratenänderungen“ in Beobachtungsdaten entsteht.
Das ungewöhnliche Verhalten des Saturn gibt Astronomen seit Jahrzehnten Rätsel auf. Daten, die von Detektoren der Raumsonde Cassini um das Jahr 2004 gewonnen wurden, haben gezeigt, dass sich die Rotationsperiode des Saturn im Laufe der Zeit zu ändern scheint. Dieses Ergebnis widerspricht dem traditionellen physikalischen Verständnis – die Gesamtrotation des Planeten sollte über lange Zeiträume stabil bleiben. Im Jahr 2021 lieferte eine Studie unter der Leitung von Tom Stallard, Professor für Planetenastronomie an der Northumbria University, einen wichtigen Hinweis: Was sich wirklich ändert, ist nicht die Rotationsgeschwindigkeit des Planeten selbst, sondern das Hochgeschwindigkeitswindfeld in der oberen Atmosphäre. Diese Winde erzeugen Strömungen in der oberen Atmosphäre, die wiederum die Polarlichtsignale beeinflussen, sodass sich die „Rotationsmessung“ auf Basis elektromagnetischer Polarlichtwellen scheinbar verändert.
Allerdings wirft diese Erklärung selbst neue Fragen auf: Wenn Höhenwinde die Strömungen antreiben, wie werden diese Winde dann überhaupt „gezündet“ und aufrechterhalten?
Die neuesten JWST-Beobachtungen liefern ein fehlendes Puzzleteil. Stallards Team arbeitete mit mehreren Institutionen im Vereinigten Königreich und in den USA zusammen, um JWST zur kontinuierlichen Überwachung der Polarlichtzone am Nordpol des Saturn – ähnlich der Polarlichter auf der Erde – über einen gesamten „Saturntag“ zu nutzen und Beobachtungsdaten mit beispielloser räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Forscher konzentrierten sich auf die Analyse der Infrarotstrahlung eines Moleküls namens Trihydrogen-Kation (H₃⁺) in der oberen Atmosphäre des Saturn. Dieses Molekül ist eine natürliche „Sonde“ für Temperaturänderungen und kann verwendet werden, um die atmosphärischen Erwärmungsbedingungen und die Partikeldichteverteilung umzukehren.
Frühere bodengestützte und orbitale Beobachtungen haben Temperaturen mit einer Unsicherheit von etwa 50 Grad Celsius gemessen, was in etwa den Temperaturschwankungen entspricht, die die Forscher aufzuklären versuchen, und nur über einen großen Bereich von Polarregionen gemittelt werden kann. Die JWST-Daten verbessern diese Genauigkeit um etwa eine Größenordnung und ermöglichen es Wissenschaftlern erstmals, detaillierte lokale Erwärmungs- und Abkühlungsstrukturen in der Polarlichtregion aufzulösen.
Die Beobachtungen stimmten gut mit einem numerischen Modell überein, das vor mehr als einem Jahrzehnt entwickelt wurde, allerdings nur, wenn die Hauptwärmequelle genau in der Region platziert wurde, in der Polarlichter in die Atmosphäre versinken, wo geladene Teilchen entlang magnetischer Feldlinien in die obere Atmosphäre „einschlagen“. Dies zeigt, dass Saturns Polarlicht nicht nur eine spektakuläre optische Szene ist, sondern auch eine starke lokale Energiequelle: Polarlichtpartikel setzen sich in einem bestimmten Höhenbereich ab und deponieren dort Energie, wodurch die lokalen atmosphärischen Temperaturen steigen und so Windfelder in großen Höhen entstehen. Diese Winde werden Strömungen im Grenzbereich zwischen der Magnetosphäre des Planeten und der Atmosphäre anregen. Die Strömungen wiederum liefern Energie für das Polarlicht und ermöglichen es dem Polarlicht, die Atmosphäre über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten und weiter zu erwärmen, wodurch ein geschlossener Kreislauf aus „Aurora-Erwärmung-Wind-Strömung-Aurora“ entsteht.
Stallard verglich diesen Prozess anschaulich mit „einer planetarischen Wärmepumpe“: Das Polarlicht erwärmt die Atmosphäre, die Atmosphäre treibt den Wind an, der Wind erzeugt elektrischen Strom und der elektrische Strom speist das Polarlicht zurück, und das System ist autark und funktioniert immer wieder. Es ist dieses stabil arbeitende Rückkopplungssystem, das dazu führt, dass die auf der Grundlage elektromagnetischer Polarlichtsignale berechnete „Rotationsrate“ mit der Zeit driftet, sodass es aussieht, als würde sich die Rotation des Saturn selbst langsam ändern.
Die Bedeutung dieser Forschung geht über die Erklärung des Saturn-Rätsels „Rotation mit variabler Geschwindigkeit“ hinaus. Die Ergebnisse zeigen, dass eine enge Kopplung zwischen der Atmosphäre des Saturn und seiner Magnetosphäre besteht: Atmosphärische Prozesse können Strom und Energie nach außen treiben und so die Umgebung der Magnetosphäre verändern, während sich Energie und Teilchen in der Magnetosphäre wieder absetzen und Energie zurück in die Atmosphäre transportieren können. Dieser wechselseitige Energie- und Impulsaustauschmechanismus könnte der Schlüssel zur langfristigen Stabilität abnormaler Signale wie Saturn sein. Es deutet auch darauf hin, dass es auf anderen Planeten mit starken Magnetfeldern und Atmosphären (einschließlich Gasriesenplaneten und sogar Exoplaneten) ebenfalls Verknüpfungsprozesse zwischen Atmosphäre und Weltraumumgebung geben könnte, die noch nicht vollständig verstanden wurden.
Stallard sagte, dieses Ergebnis verändere die Art und Weise, wie wir Planetenatmosphären verstehen: Wenn der Zustand der Atmosphäre eines Planeten elektrische Ströme nach außen treiben und dadurch die umgebende Weltraumumgebung verändern kann, dann könnten bei der Untersuchung der oberen Atmosphären und Stratosphären anderer Planeten und sogar Exoplaneten bisher unerwartete Wechselwirkungen entdeckt werden. Die entsprechenden Ergebnisse wurden im „Journal of Geophysical Research: Space Physics“ unter dem Titel „JWST/NIRSpec enthüllt den atmosphärischen Antriebsmechanismus der variablen Magnetosphärenrotationsrate des Saturn“ veröffentlicht. Die Forschung wurde vom British Science and Technology Facilities Council und anderen Institutionen finanziert.