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Neue Analysen von Radiosignalen, die hinter dem Planeten vorbeigingen, zeigen, dass der äquatoriale Radius des Gasriesen 71.488 Kilometer (44.421 Meilen) beträgt, während sein Polarradius vom Zentrum bis zum Nordpol 66.842 Kilometer erreicht. Diese Werte reduzieren den ursprünglichen Äquatorradius um etwa 4 Kilometer pro Seite und den Polarradius um rund 12 Kilometer pro Pol gegenüber den langjährigen Zahlen, die auf Raumfahrzeugdaten aus den 1970er-Jahren basierten. Ein paar Kilometer klingen bei einem Planeten von der Größe Jupiters nach Kleinigkeiten — in der Planetenwissenschaft können solche Änderungen jedoch entscheidend sein.
Wie ein paar Kilometer unser Bild verfeinern
Messungen haben großen Einfluss, weil Modelle sehr sensitiv sind. Verschiebt man die Bezugsfläche nur um kleine Beträge, ändern sich daraus abgeleitete Verteilungen von Masse, Temperatur und Windgeschwindigkeit im Inneren des Planeten in bedeutsamer Weise. „Diese wenigen Kilometer sind wichtig“, sagt Eli Galanti, Planetengeologe am Weizmann Institute of Science. „Eine kleine Anpassung des Radius lässt unsere Modelle von Jupiters Innerem sowohl zu den Gravitätsdaten als auch zu atmosphärischen Messungen deutlich besser passen.“
Genauer gesagt beeinflussen Radiusdefinitionen, Bezugsflächen und die nominelle Form des Planeten die Interpretation der Zonalkoeffizienten des Gravitätsfeldes (Gravitätsmomente), die wiederum Aufschluss über Massenverteilungen und mögliche Kernmassen geben. Selbst geringe Unterschiede in der Bezugsebene können die Abschätzung der Dichteprofile um einige Prozent verändern, was bei der Rückrechnung auf Zusammensetzung, Wasserstoff-Helium-Verteilung und Wärmeleitung signifikante Konsequenzen hat. Für Modelle, die innere Schichten und Differentialrotation berücksichtigen, sind präzise Geometrien daher eine Grundvoraussetzung.
Die zugrunde liegende Technik für dieses Update ist die Radiookkultation (RO). Wenn sich ein Raumfahrzeug aus Sicht der Erde hinter einem Planeten bewegt, werden die von der Sonde gesendeten Radiosignale beim Durchgang durch die obere Atmosphäre gebrochen und abgeschwächt. Das Ausmaß und die Form dieser Brechung kodieren die Dichte- und Temperaturprofile in den hohen Atmosphärenschichten. Durch Ableitung der Brechung als Funktion des Tangentenabstands zur Planetenoberfläche lassen sich vertikale Profile der Refraktivität umwandeln in Druck-, Temperatur- und Dichteprofile in Höhen, die häufig im Bereich der oberen Troposphäre, Stratosphäre und Thermosphäre liegen.
Voyager und Pioneer lieferten in den 1970er-Jahren lediglich sechs solche Okkultationsdurchschnitte, was die räumliche Abdeckung und damit die Aussagekraft früherer Radiusbestimmungen einschränkte. Die Juno-Mission brachte einen Wendepunkt: wiederholte Okkultationen und moderne Signalverarbeitung erhöhen die räumliche Dichte der Messpunkte drastisch. Durch höhere zeitliche Auflösung, bessere Kalibrierung der Sende- und Empfangsketten sowie verbesserte Modelle für die Ionosphäre und Plasmaschichten lassen sich systematische Fehlerquellen reduzierten und feinere Vertikalstrukturen identifizieren.
Im Jahr 2021 veränderte die NASA gezielt Junos Bahn, sodass die Sonde in regelmäßigen Abständen aus Sicht der Erde hinter Jupiter gelangte. Diese Bahnanpassung ermöglichte wiederholte RO-Beobachtungen unter verschiedenen Geometrien und lokalen Zeiten, was die probabilistische Rekonstruktion von Temperatur- und Dichtefeldern verbesserte. In Kombination mit moderner Signalverarbeitung und optimierten Rekonstruktionsalgorithmen lieferte das neue Datenset eine viel dichtere Abtastung der atmosphärischen Refraktion als frühere Missionen. „Wir verfolgten, wie sich die Radiosignale beim Durchgang durch Jupiters Atmosphäre biegen, und konnten diese Informationen in detaillierte Karten der Temperatur und Dichte übersetzen. Das ergibt bislang das klarste Bild von Größe und Gestalt des Riesenplaneten“, erläutert Maria Smirnova, Planetologin am Weizmann Institute of Science.
Ein weiterer, oft unterschätzter Faktor sind die Winde. Jupiters schnelle Rotation treibt mächtige zonale Jetströme an, die die Form der Atmosphärenschichten verformen. Frühere Größenschätzungen behandelten die Atmosphäre häufig so, als seien die Winde vernachlässigbar. Moderne Windanalysen, gestützt auf Doppler-Messungen, Wolken-Tracking, Infrarot-Beobachtungen und die Analyse der Gravitätsanomalien, erlauben es heute, die dynamische Verformung der Atmosphärenschichten quantitativ in Radiusbestimmungen einzubeziehen. Galanti und Kolleg:innen integrierten diese atmosphärischen Dynamiken in ihre Berechnungen; das Ergebnis ist ein Radiuswert, der die Gravitätsfeldmessungen, Windprofile und strukturelle Atmosphärenbeschreibungen besser in Einklang bringt.
Die Einbeziehung der Windsysteme erfordert, dass man neben hydrostatischen Annahmen auch Beiträge aus der geostrophischen Balance sowie aus Scherungen und vertikalen Windprofilen berücksichtigt. Im mathematischen Formalismus äußern sich diese Effekte in Korrekturen der harmonischen Komponenten des Schwerefeldes und in der Verschiebung der Äquipotentialflächen. Bei Jupiters starken Zonen- und Bändern kann die integrierte horizontale Verdrängung von Massen über Hunderte von Kilometern zu messbaren Änderungen im beobachteten Radius führen, insbesondere wenn Bezugsflächen aus Atmosphärenparametern definiert werden.
Warum sollten Personen außerhalb der Planetenwissenschaften dies interessieren? Präzise Radien sind essenziell, wenn man Jupiter mit anderen Gasriesen — sowohl in unserem Sonnensystem als auch bei Exoplaneten — vergleichen möchte. Kleine Änderungen in der Größe wirken sich auf die Rechnungen zur inneren Zusammensetzung, zur Kernmasse und zum Wärmetransport aus. So beeinflussen aktualisierte Größenparameter die Modelle zur Metallizität, zur Abfolge von Phasenübergängen von Wasserstoff (z. B. metallischer Wasserstoff) und die Abschätzungen des Wärmeflusses aus dem Inneren. Das hat direkte Konsequenzen für Entstehungs- und Entwicklungsmodelle von Gasriesen.
Für die Exoplanetenforschung dienen Planeten wie Jupiter als Kalibrierungsstandard. Bessere Referenzdaten in unserem kleinen Kosmos erlauben robustere Inferenzmethoden für ferne Welten: Dichtebestimmungen, Massen-Radius-Beziehungen, Rückschlüsse auf Atmosphärenzusammensetzung und innere Struktur profitieren von präzisen, lokal verankerten Benchmarks. Insbesondere bei massereichen, gasreichen Exoplaneten sind die Unsicherheiten in Radius und Zusammensetzung oft der Engpass für die Interpretation von Messdaten.
Technisch ist die Arbeit, die in Nature Astronomy publiziert wurde, weniger ein dramatisches Neuerschaffen als eine sorgfältige, inkrementelle Verfeinerung: bessere Bahndaten, umfangreichere Beobachtungsfenster, aktualisierte physikalische Modelle und modernisierte Signalverarbeitung ergeben zusammen eine deutlich verbesserte Darstellung. Die Studie zeigt exemplarisch, wie Exploration weiterhin Erträge bringt — selbst für die am besten untersuchten Planeten. Neue Bahnen, genauere Kalibrierungen und die Bereitschaft, komplexe und „unsaubere“ Details wie Winde und Nicht-Hydrostatik zu integrieren, liefern klarere Antworten.
Aus technischer Sicht lassen sich die Verbesserungen wie folgt zusammenfassen: dichtere räumliche Abtastung der Okkultationen, bessere Korrektur der Ionosphären- und Plasmaschichten, Einbindung multispektraler Atmosphärenmessungen, inverse Modellierung der Refraktivität zu Dichte- und Temperaturprofilen und gekoppelte Auswertung mit Gravitätsdaten. Diese integrierte Herangehensweise reduziert systematische Abweichungen und hilft, Modelldegenerationen zu vermeiden, bei denen mehrere, unterschiedlich plausible Innenmodelle gleiche beobachtbare Effekte produzieren könnten.
Darüber hinaus eröffnet die Präzisierung offene Fragestellungen: Wie tief reichen die zonalen Winde? Tragen sie über hunderte bis tausende Kilometer in die innere Dynamik hinein, oder sind sie auf relativ oberflächennahe Schichten beschränkt? Welche Rolle spielen magnetohydrodynamische Effekte in der Kopplung zwischen Atmosphäre und leitfähigem Inneren? Präzise Geometrien liefern die nötigen Randbedingungen, um diese Fragen mit besseren numerischen Simulationen und inversen Modellen anzugehen.
Für zukünftige Arbeiten sind mehrere Wege denkbar: noch längere Serien von Radiookkultationen, kombinierte Analysis mit optischen und Infrarot-Beobachtungen, verbesserte Messung der zeitlichen Variabilität von Atmosphärenstrukturen und fortgeschrittene Modelle zur Kopplung von Gravitation, Rotation und Magnetfeld. Auch die Nutzung von Bodenstationen und Weltraum-Teleskopen in synergetischen Beobachtungskampagnen kann die Präzision weiter erhöhen.
Zusammengefasst: Wissenschaft schreitet oft am Rand voran. Ein paar Kilometer können das Porträt eines Planeten schärfen und neue Forschungsfragen eröffnen über das Leben, die Dynamik und die Entwicklung von Riesenplaneten in unserem Universum. Die jüngsten Analysen sind ein Beispiel dafür, wie moderne Messtechnik, sorgfältige Modellierung und die Bereitschaft, komplexe physikalische Prozesse einzubeziehen, unser Bild von Jupiter — und damit von Gasriesen allgemein — weiter verfeinern.
Quelle: sciencealert
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