Berechnung des Gravitationsfeldes und inneren Aufbaus von Jupiter für NASAs Juno-Mission

• Antragstellerin: Dr. Nadine Nettelmann
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278011549

Lebensbedingungen, Klima, und Ursprung eines Planeten sind Themen von allgemeinem Interesse für die Menschheit. Die Zusammenhänge zwischen der Atmosphäre, dem Innern, und den äußeren Bedingungen wie z.B. der Sonneneinstrahlung am Beispiel eines einzelnen Planeten zu untersuchen kann wesentlich zum Verständnis unseres Heimatplaneten Erde beitragen. In diesen Sinne bietet der Riesenplanet Jupiter, obwohl selbst unbewohnbar, besondere Möglichkeiten. Jupiters Tropospären-Winde, sein Schwerkraftfeld, und sein Gehalt an Sauerstoff und Wasser werden von der 2011 gestarteten Juno-Sonde mit beispiellos hoher Genauigkeit vermessen werden. Jedoch werden die gewünschten Information nur indirekt in den Beobachtungsdaten enthalten sein. Um zum Bespiel aus den Daten die Tiefe der Winde oder sogar die Kernmasse zu bestimmen, bedarf es Modelle des Planeten, insbesondere Modelle mit erheblich gesteigerter Genauigkeit gegenüber den bisherigen.Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung neuer Jupitermodelle mit den Eigenschaften, dass sie(1) erstmalig Vorhersagen zu den Gravitationsmomenten höherer Ordnungen erlauben, welches notwendg ist um aus dem gemessenen Gesamtfeld die Eigenschaften der atmosphärischen Winde ablesen zu können,(2) erstmalig die Sedimentation von Helium in parametrisierter Weise enhalten. Dieser unabdingbare Schritt auf dem Wege zu einem physikalisch selbstkonsistenten Planetenmodell wird sich auf den Vergleich des berechneten zum beobachteten Wassergehalt auswirken und somit zur Interpretation der Juno-Daten erheblich beitragen. Die neuen Jupitermodelle erlauben verlässlichere Schlüsse auf Jupiters Kernmasse, Gehalt an schweren Elementen, und den Prozess von Heliumregen in einem Planeten. Das Gravitationsfeld soll auf zwei verschiedene Weisen bis zur 7. Ordnung berechnet werden: einmal mit der kürzlich entwickelten Methode der konzentrischen Maclaurin-Ellipsoide, und zum andern mit Hilfe der üblichen Figurentheorie, die als Teil dieser Arbeit über die bekannte 5. Ordnung hinaus entwickelt werden soll. Die zugrundeliegenden Jupitermodelle werden auf ab initio Daten zur Zustandsgleichung und zur Wasserstoff-Helium Entmischung basieren. Insbesondere soll die Standardannahme eines konvektiv instabilen Innern, z.B. auch auf die Erde zutreffend, in Anwesenheit eines Konzentrationsgradienten untersucht werden. Optional können einige Unteraufgaben an Studenten vergeben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen