Zahlen, bitte! – Saturn-Hexagon: 29.000 Kilometer breites mysteriöses Sechseck

In der Forschung rund um den Saturn hat sich jüngst einiges getan. Nicht nur, dass im Ozean unter der Eiskruste des Saturnmond Enceladus mögliches Leben leichter nachweisbar wäre, als die Wissenschaft bisher vermutete, sondern auch zum Saturn gabs neue Schlagzeilen: Auf dessen Südpol wurde ein neuer zehneckartiger Wirbelsturm entdeckt. Grund genug für uns, ein älteres „Zahlen, bitte“ um das mysteriöse Nordpol-Sechseck auf dem Saturn auf den neuesten Stand der Forschung zu bringen und als „Zahlen, bitte classic“ zu veröffentlichen.

Die Daten und Bilder der Voyager-Sonden liefern bis heute viele Erkenntnisse, aber sie warfen gerade zur Anfangszeit noch mehr Fragen auf. Eine davon enthüllte Voyager 2 beim Vorbeiflug am Saturn im Jahr 1981: Als der Astronom David Godfrey von den National Optical Astronomy Observatories 1988 die Fotos auswertete, fiel ihm am Nordpol des Planeten ein riesiger Polarwirbel auf – mit einer gleichmäßigen sechseckigen Struktur.

Polarwirbel sind im Sonnensystem eigentlich keine Seltenheit – ein Wirbel mit symmetrischer, sechseckiger Struktur hingegen schon. War das etwa eine Postkarte der Aliens, wie Verschwörungstheoretiker frohlockten, oder steckt doch nur ein natürliches Phänomen dahinter? Das Rätsel des Saturn-Hexagons war geboren.

In dieser Rubrik stellen wir immer dienstags verblüffende, beeindruckende, informative und witzige Zahlen aus den Bereichen IT, Wissenschaft, Kunst, Wirtschaft, Politik und natürlich der Mathematik vor.

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Fast 30.000 Kilometer breit

Der Polarwirbel bildet ein ziemlich gleichmäßiges Sechseck mit etwa 14.500 Kilometer langen Seiten. Mit einem Durchmesser von 29.000 Kilometern ist er mehr als doppelt so groß wie der Erddurchmesser. Das Wolkenmuster hat es in sich: Die Winde im Jetstream erreichen etwa 320 km/h, das Sechseck selbst vollendet in rund 10 Stunden, 39 Minuten und 23 Sekunden eine Drehung.

In der Mitte ist eine Art Auge des Sturms, das etwa 50-mal größer ist als im Schnitt die ebenfalls bereits nicht gerade kleinen Erdwirbelstürme, die ansonsten nur optisch vergleichbar sind. Die Ursache für diese geometrische Form war zunächst völlig unklar und faszinierte die Wissenschaftler. Da die Voyager-Sonden allerdings nur auf der Durchreise waren, ließ sich das Phänomen nicht näher untersuchen.

Cassini-Sonde liefert weitere Bilder

Im Jahr 1997 startete die Saturn-Raumsonde Cassini-Huygens, die den Saturn und unter anderem das Nordpol-Sechseck weiter erforschen sollte. Im Jahr 2004 schwenkte die NASA-Sonde in die Umlaufbahn des Saturn ein und begann mit ihrer Arbeit, konnte das Hexagon aber zunächst nur eingeschränkt untersuchen: Es lag wegen des Winters auf der Nordhalbkugel im Schatten, nur das Infrarotinstrument VIMS konnte es 2006 beobachten.

Da der Saturn viel weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde, dauert ein Saturnjahr 29 Erdenjahre. Ein Saturn-Winter, in dem sich das Hexagon befand, dauert somit etwa sieben Jahre. Im August 2009 war es so weit: Mit Beginn des Frühlings auf der Nordseite konnte Cassini nun endlich auch den Nordpol optisch untersuchen.

Die Forscher stellten sich nach mehr als 20 Jahren folgende Fragen: Was ist die Ursache für das riesige Hexagon? Ist das Hexagon noch so wie zu Zeiten Voyagers? Der Polarsturm ähnelt, abgesehen von der hexagonalen Form, von der Struktur her Erdwirbelstürmen, auch wenn diese ganz anders entstehen. Wäre ein solcher hexagonaler Wirbelsturm dann auch bei uns möglich?

Ähnliche Struktur wie irdische Hurrikans

Kevin Baines, als Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA am Cassini-Programm beteiligt, beschrieb, der Polarwirbel habe „zumindest die Struktur eines Hurrikans – es ist das, was wir die klassische Wirbelstruktur nennen.“ Allerdings gibt es entscheidende Unterschiede. Erdwirbelstürme benötigen zur Entstehung das Wasser und die Wärme der Erdoberfläche, was bei einem Gasplaneten wie dem Saturn nicht möglich sei. Auch empfange die Erde aufgrund der geringeren Entfernung etwa 100-mal mehr Sonnenlicht als der Saturn.

Weitere Unterschiede wie die gänzlich andere Tag-Nacht-Struktur, die im Vergleich flache Atmosphäre sowie die Oberflächenbeschaffenheit verhindern womöglich ein ähnliches Phänomen auf der Erde. Allerdings weisen die Jetstreams, die dynamischen Starkwindfelder der oberen Troposphäre, ein ähnliches hexagonalartiges Muster auf, wenn auch nicht so gleichmäßig. Auf dem Saturn gibt es Hindernisse wie Gebirge nicht, was eine solch perfekte Symmetrie ermögliche. Und doch seien noch viele Fragen offen. Für Baines sei das Hexagon „eines der größten Rätsel der Dynamik des Saturns“.

Weiteres Mini-Hexagon entdeckt

Als wäre das nicht schon Rätsel genug, entdeckte der Wissenschaftler Leigh Fletcher von der University of Leicester im Jahr 2018 in den Cassini-Daten noch einen zweiten hexagonalen Wirbel, der sich ab 2014 hunderte Kilometer oberhalb des altbekannten Wirbels bildete. Die Forscher rätseln, ob er möglicherweise wegen des Saturn-Sommers entstand. Außerdem stellte sich ihnen die Frage, ob er sich unabhängig von dem ursprünglichen hexagonalen Polarsturm formte, oder ob eine Verbindung besteht, was eigentlich kaum möglich zu sein scheint. Auch veränderte sich mit der Zeit die Farbgebung des Sturms.

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Eine Erklärung für hexagonale Wirbel lieferte ein Forscherteam der Universität Oxford bereits im Jahr 2010, indem es im Labor ein solches Naturphänomen nachstellte. Rakesh Yadav und Jeremy Bloxham von der Harvard-Universität in Cambridge lieferten 2020 in Simulationen eine Erklärung für Wirbel am Saturn-Nordpol. Demnach erzeugen Strömungen tief im Inneren des Planeten große und kleine Wirbel rund um einen ostwärts gerichteten Jetstream nahe dem Nordpol. Die kleineren Stürme klemmen diesen Jetstream ein und verformen ihn dabei zum Sechseck. „Wir haben diese kleineren Stürme, die im Grunde die größeren Stürme in der Polarregion bedrängen, und da sie nebeneinander existieren müssen, müssen sie irgendwie einen Platz finden, um jedes System unterzubringen. Auf diese Weise entsteht diese polygonale Form“, so Yadav.

Auch sonst fasziniert der Saturn mit ungewöhnlichen Mustern: 2025 entdeckten US-amerikanische und europäische Forscher in Infrarotaufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops weitere ungewöhnliche Strukturen um die Polregion. Perl- und sternförmige Muster entdeckten sie in der Ionosphäre und rund 500 Kilometer tiefer in der Stratosphäre. Die Strukturen verblüfften die Wissenschaftler – sie können sie sich zwar nicht erklären, vermuten allerdings, dass sie mit dem sechseckigen Wirbelsturm in Verbindung stehen könnten.

Als wäre das nicht rätselhaft genug, fotografierte das Weltraumteleskop Hubble am Südpol einen neuen zehneckartigen Wirbelsturm, der sich erst ab 2023 bildete. Die Wissenschaftler verwundert es, dass solche Strukturen bisher nur auf dem Saturn zu finden sind. Jupiter etwa habe zwar ähnliche Voraussetzungen und bestehe ebenfalls hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, aber statt eines großen Nordpol-Wirbelsturms kreisen dort acht kleinere Zyklone um einen zentralen. In einer Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) kamen Forscher zu dem Schluss, dass bei einem weicheren gasförmigen Untergrund mehrere Wirbelstürme entstehen, während ein dichterer Gasuntergrund womöglich einen großen Wirbelsturm begünstige.

Somit ist das Saturn-Hexagon weniger einzigartig, aber gewiss nicht weniger faszinierend anzuschauen.