Gasplanet

Die vier Gasplaneten des Sonnensystems (von unten nach oben): Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun

Masseverteilung der Gasplaneten untereinander

Ein Gasplanet oder Gasriese („planetarer Gasriese“) ist in der Astronomie ein großer Planet, der überwiegend aus leichten Gasen wie Wasserstoff und Helium besteht. Sie rotieren schnell und haben nur einen geringen Anteil an schwerem Material (Gestein, Metalle). Demgegenüber haben erdähnliche Planeten relativ hohe Dichten, feste Gesteinskrusten und rotieren langsamer. Im Sonnensystem sind dies die vier inneren Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars), während die vier Gasplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) die Sonne weiter außen umrunden. Häufig werden Gasriesen nach dem größten dieser vier auch als jupiterähnliche oder – aus dem Lateinischen – als jovianische Planeten bezeichnet.

Überblick

Gasplaneten haben keine feste Oberfläche. Das Gas wird mit zunehmender Tiefe dichter, da es durch die darüber befindlichen Schichten komprimiert wird. Dennoch können diese Planeten einen festen Kern haben – und nach der Kern-Aggregations-Hypothese ist solch ein Kern für ihre Entstehung sogar notwendig. Der Großteil der Planetenmasse besteht jedoch aus leichten Gasen, die im Innern aufgrund des hohen Drucks und niedriger Temperaturen in flüssigem oder festem Aggregatzustand vorliegen.

Im Sonnensystem gibt es vier Gasplaneten, die aufgrund ihrer Lage jenseits des Asteroidengürtels auch als äußere Planeten bezeichnet werden. In der Reihenfolge von der Sonne aus gesehen sind das Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Über die ähnliche Zusammensetzung hinaus haben die vier Riesenplaneten des Sonnensystems – im Unterschied zu den kleineren, terrestrischen Planeten aus Gestein und Metallen – alle ein mehr oder weniger ausgeprägtes Ringsystem und zahlreiche Satelliten.

Das Fehlen einer sichtbaren, festen Oberfläche macht es zunächst schwierig, die Radien bzw. Durchmesser von Gasplaneten anzugeben. Wegen der nach innen kontinuierlich zunehmenden Dichte kann man aber jene Höhe berechnen, in der der Gasdruck gerade so hoch ist wie der Luftdruck, der an der Erdoberfläche herrscht (auf Meeresniveau 1 atm oder 1013 mbar). Was man bei einem Blick auf Jupiter oder Saturn sieht, sind ausnahmslos die obersten Wolkenstrukturen innerhalb der Atmosphären der jeweiligen Planeten.

Gürtel und Zonen

Alle vier Gasplaneten unseres Sonnensystems rotieren relativ schnell. Dies verursacht Windstrukturen, die in Ost-West-Bänder oder -streifen aufbrechen. Diese Bänder sind bei Jupiter sehr auffällig, dezenter bei Neptun und Saturn, auf Uranus hingegen kaum nachweisbar.

Bei den in der jovianischen Atmosphäre sichtbaren Bändern handelt es sich um im Uhrzeigersinn drehende Ströme von Materie. Sie werden in Zonen und Gürtel aufgeteilt, die den Planeten parallel zum Äquator umkreisen:

• Die Zonen sind die helleren Bänder und befinden sich in der höheren Atmosphäre. Sie bilden Hochdruckgebiete mit inneren Aufwinden.
• Die Gürtel sind die dunkleren Bänder. Diese stellen Tiefdruckgebiete dar und befinden sich in der unteren Atmosphäre; in ihrem Inneren herrschen Abwinde.

Diese Strukturen sind grob mit Hoch- und Tiefdruckzellen in der irdischen Atmosphäre vergleichbar, wobei sie sich doch erheblich von diesen unterscheiden. Im Gegensatz zu kleinen lokalen Zellen von Druckgebieten umspannen die Bänder entlang der Breitengrade (latitudinal) den ganzen Planeten. Dies scheint an der schnellen Rotation, die wesentlich höher als die der Erde ist, und der darunterliegenden Symmetrie des Planeten zu liegen: Es gibt schließlich keine Landmassen oder Gebirge, welche die schnellen Winde bremsen könnten.

Es gibt aber auch kleinere, lokale Strukturen, etwa Flecken von unterschiedlicher Größe und Färbung. Das auffälligste Merkmal Jupiters ist der Große Rote Fleck, der seit mindestens 300 Jahren existiert. Diese Strukturen stellen gewaltige Stürme dar. Bei einigen dieser Flecken treten Gewitter auf: Astronomen haben bei etlichen dieser „Spots“ Blitze beobachtet.

Aufbau

Schematischer Aufbau von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun (v. l. n. r.) im Größenvergleich mit der Erde (oben).

Im Sonnensystem haben die planetaren Gasriesen Jupiter und Saturn eine dicke Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, aber auch Spuren anderer Stoffe wie Ammoniak enthält. Der Großteil des Wasserstoffes ist jedoch in flüssiger Form vorhanden, der auch die Hauptmasse dieser Planeten ausmacht. Die tieferen Schichten des flüssigen Wasserstoffes stehen oft unter so starkem Druck, dass dieser metallische Eigenschaften bekommt. Metallischer Wasserstoff ist nur unter solch extremem Druck stabil. Berechnungen legen nahe, dass felsiges Material vom Kern im metallischen Wasserstoff gelöst ist^[1] und daher bei größeren Gasplaneten auch der Kern keine feste Oberfläche besitzt.

Die kleineren Gasplaneten im Sonnensystem, Uranus und Neptun, beinhalten mehr Anteile an Wasser (Eis), Ammoniak und Methan als die Gasriesen Jupiter und Saturn. Daher werden die beiden kleineren Planeten manchmal auch als Eisriesen bezeichnet. Der Grund dieser Unterschiede ist ihr prozentual geringerer Anteil an Wasserstoff und Helium.

Entstehungsmodelle

Als Erklärung der Entstehung von Gasplaneten konkurrieren zwei Modelle mit unterschiedlichem Ansatz.

• Nach dem Modell der Kern-Aggregations-Hypothese bilden sich in der um den jungen Zentralstern rotierenden protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub durch Kollisionen von Planetesimalen zuerst Verdichtungen aus den festen, also felsigen und metallischen Bestandteilen, aus denen dann die Kerne der Riesenplaneten entstehen. Diese ziehen erst ab ihrer Herausbildung das umgebende Gas an.
• Nach dem anderen Modell, der Scheiben-Instabilitäts-Hypothese, bilden sich in der Akkretionsscheibe lokale Instabilitäten, deren Gas und Staub ab einer bestimmten Massekonzentration unter der eigenen Anziehungskraft kollabieren. In diesem Prozess sinken die festen und somit schwereren Bestandteile der sich weiter verdichtenden Wolkenstruktur in deren Zentrum und bilden den Kern des entstehenden Gasplaneten.

Im Modell der Scheibeninstabilität entstehen verhältnismäßig kleinere Planetenkerne als im Fall der Kernaggregation, die bei den Beispielen von Jupiter und Saturn deutlich weniger als zehn Erdmassen aufweisen^[2].

Exoplaneten und Zwergsterne

Auch viele der Exoplaneten, die in den letzten Jahren bei anderen Sternen entdeckt wurden, scheinen Gasriesen zu sein. Allerdings unterscheiden sich diese Exoplaneten häufig von den Gasriesen in unserem Sonnensystem. Oberhalb von etwa der 13-fachen Masse des Jupiter, was 1,2 % der Sonnenmasse entspricht, setzen wegen der großen Hitze und des enormen Drucks im Inneren bereits erste Kernfusionsprozesse ein. Dies sind im Wesentlichen

• die Deuteriumfusion, bei der ab 13 Jupitermassen ein Deuteriumkern und ein Proton zu Helium-3 verschmelzen, sowie
• die Lithiumfusion, bei der ab etwa 65 Jupitermassen bzw. Kerntemperaturen über 2 Millionen Kelvin ein Lithium-7 mit einem Proton reagiert.

Himmelskörper über 13 Jupitermassen (M_J) sind jedoch noch keine Sterne, sondern so genannte Braune Zwerge. In ihnen findet noch keine Wasserstoff-Helium-Fusion statt, die erst ab etwa 75 Jupitermassen einsetzt und die Hauptenergiequelle eines normalen Sterns ist. Nach der neueren Definition für Braune Zwerge durch Fusionsprozesse beträgt die Obergrenze für einen Planeten also 13 Jupitermassen. Hat ein Gasriese eine Masse über 13 M_J, beginnt die Gaskugel – im Gegensatz zu einem Planeten – Fusionsenergie freizusetzen und wird bis etwa 70 M_J (7 % der Sonnenmasse) als Brauner Zwerg bezeichnet, kann den Kontraktionsprozess aber, anders als ein Stern, durch diese Energie noch nicht stabilisieren. Erst noch massereichere Himmelskörper sind tatsächlich Sterne.

Es gibt auch „vagabundierende Planeten“ bzw. Objekte planetarer Masse, die keinem Sternensystem angehören, unter der Masse von Braunen Zwergen liegen und damit Gasplaneten ähneln. Ein ähnliches Phänomen sind die Sub-Brown Dwarfs, wobei der Unterschied vor allem in der Temperatur und möglicherweise der Entstehungsgeschichte begründet werden könnte.

Siehe auch

• Jupiter analogs
• Hot Jupiter
• Hot Neptune

Weblinks

Commons: Gasplanet – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise