Modellierung der Struktur und Entwicklung von Uranus, Neptun und extrasolaren Planeten mit bekannter Love'scher Zahl k2

• Antragsteller: Dr. Nicola Tosi, seit 7/2022
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280637173

Die äußeren Planeten Uranus und Neptun rücken zunehmend ins Zentrum der Planetenforschung. Dafür gibt es zwei Gründe. Zum einen legen Beobachtungen nahe, dass Planeten in der Größe von etwa einem halben bis einem Neptundurchmesser die häufigsten Planeten sind. Zum anderen enthalten Uranus und Neptun wichtige Informationen über die Entstehung des Sonnensystems und damit über das einzige System, das bisher nachweislich Leben hervorgebracht hat. Mit diesem Projekt wollen wir das Verständnis der Struktur und Entwicklung Neptun-artiger Planeten voranbringen. Wichtige Beobachtungsgrößen hierbei sind die Leuchtkraft und die Love'sche Zahl k2.Seit der Voyager-2 Mission ist bekannt, dass die mittlere Dichte im Innern von Uranus und Neptun der einer solaren Mischung aus Wasser, Methan, und Ammoniak entspricht, wogegen die Atmosphäre überwiegend aus H/He und Methan besteht. Wir untersuchen, wie sich mögliche bevorzugte Mischungsverhältnisse der Elemente des HCNO-Komplexes auf die Schichtenbildung und damit Leuchtkraft von Uranus und Neptun auswirken. Ihre beobachteten Magnetfelder deuten darauf hin, dass im Inneren, unterhalb der für den Dynamo relevanten leitenden Schicht, die Konvektion unterbunden oder zumindest nur kleinskalig stattfindet. Wir untersuchen, ob sich stabile Schichtung im tiefen Innern einstellt als Ursache guter Leitfähigkeit in Wasser bei gleichzeitiger stabiler Schichtung infolge des Konzentrationsgradienten außen. Dazu verwenden wir Vorhersagen zu den thermodynamischen und Transporteigenschaften von HCNO-Verbindungen, welche mittels ab initio Simulationen in SP3 gewonnen werden, sowie Struktureigenschaften von Wasser und Wasser-Ammoniak Mischungen aus Experimenten in SP9. Für unsere Untersuchungen wenden wir insbesondere den Computer-Code zur Modellierung von Planeten an, der während der ersten Förderperiode zu diesem Zweck in SP5 entwickelt worden ist.Ferner berechnen wir die Deformation (h2) und das Schwerkraftfeld (k2) von Planeten, bei denen die Love'sche Zahl k2 gemessen worden ist. Dies dient dazu, einen Erfahrungsschatz aufzubauen zu den Messwerten im Vergleich zu den theoretischen Vorhersagen. Mit unseren Modellen testen wir die Relation h2=1+k2. Ziel ist es, künftig mithilfe gemesserer k2- oder h2-Werte entscheiden zu können, ob ein Neptun-artiger Planet vorwiegend aus Wasser oder aus einem Gesteinskern mit H/He-Mantel besteht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2440: Materie im Inneren von Planeten - Hochdruck-, Planeten- und Plasmaphysik
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Doris Breuer; Dr. Martin French
• Ehemalige Antragstellerinnen / Ehemalige Antragsteller: Dr. Nadine Nettelmann, von 7/2021 bis 7/2022; Professor Dr. Ronald Redmer, von 7/2020 bis 6/2021