Als die Raumsonde Voyager 2 in den 1980er-Jahren an Uranus und Neptun vorbeiflog, entdeckte sie etwas Merkwürdiges: Die Magnetfelder der beiden Planeten waren völlig anders aufgebaut als das der Erde. Ihre magnetischen Achsen standen ungewöhnlich schief, die Felder waren stark asymmetrisch. Warum das so ist, können Forschende bis heute nicht vollständig erklären.
Nun hat ein internationales Team unter Leitung der University of Texas at Austin eine mögliche Ursache gefunden. Entscheidend könnte sein, wie gut die Materie im Inneren der Planeten elektrischen Strom leitet. Mit Computersimulationen gelang es den Forschenden, Magnetfelder zu erzeugen, die den damaligen Voyager-Messungen ähneln.
Die am 3. November 2026 im Fachjournal Communications Physics veröffentlichte Studie zeigt außerdem, dass sich diese Magnetfelder auf überraschend kurzen Zeitskalen verändern könnten. In einigen Simulationen verschob sich ihre Ausrichtung innerhalb weniger Jahrzehnte um mehrere zehn Grad.
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Warum Uranus und Neptun so ungewöhnliche Magnetfelder haben
Das Erdmagnetfeld ähnelt vereinfacht dem eines großen Stabmagneten mit Nord- und Südpol. Seine magnetische Achse ist gegenüber der Rotationsachse um etwa 11° geneigt. Bei Uranus und Neptun fällt dieser Winkel erheblich größer aus.
| Planet | Neigung der magnetischen Achse |
| Erde | etwa 11° |
| Uranus | etwa 59° |
| Neptun | etwa 47° |
Die starke Neigung ist allerdings nur ein Teil des Rätsels. Auch die räumliche Verteilung der Magnetfelder unterscheidet sich deutlich von der anderer Planeten.
Normalerweise prägt ein sogenannter Dipol das Magnetfeld. Bei Uranus und Neptun ist dieser Anteil deutlich schwächer ausgeprägt. Nur etwa 12 % der magnetischen Energie an der Oberfläche entfallen auf den zur Rotationsachse ausgerichteten Dipolanteil. Bei den anderen untersuchten planetaren Magnetfeldern des Sonnensystems sind es 74 bis 98 %.
Das bedeutet, dass die Magnetfelder der beiden Eisriesen wesentlich komplizierter aufgebaut sind. Neben dem Dipol spielen weitere magnetische Feldanteile eine große Rolle.
Die Ursache könnte tief im Inneren liegen
Magnetfelder entstehen, wenn sich elektrisch leitfähige Materie im Inneren eines Planeten bewegt. Fachleute sprechen vom Dynamoeffekt. Bei der Erde sind dafür hauptsächlich Strömungen aus flüssigem Eisen im äußeren Erdkern verantwortlich.
Bei Uranus und Neptun ist die Situation komplizierter. Beide Planeten bestehen vermutlich aus Wasserstoff, Helium, Wasser, Ammoniak, Methan und Gesteinsmaterial. Wie sich diese Bestandteile im Inneren verteilen, ist bisher nur teilweise bekannt.
Mit zunehmender Tiefe steigen Druck und Temperatur stark an. Dadurch können sich die Eigenschaften der Materialien erheblich verändern. Wasser beispielsweise kann unter solchen Bedingungen in einen Zustand übergehen, in dem geladene Teilchen beweglich werden und elektrische Ströme transportieren.
Hier setzt die neue Studie an. Die Forschenden untersuchten, was passiert, wenn die elektrische Leitfähigkeit innerhalb eines Planeten nicht überall gleich groß ist, sondern mit zunehmender Tiefe ansteigt. Dafür berechneten sie mit dreidimensionalen Computermodellen das Zusammenspiel von Strömungen, Rotation und Magnetfeldern. Sie veränderten sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Dicke jener Schicht, in der das Magnetfeld erzeugt wird.
Wie die elektrische Leitfähigkeit das Magnetfeld verändert
Die Simulationen zeigten einen deutlichen Unterschied zwischen zwei Varianten.
- Gleichmäßige Leitfähigkeit: Die Modelle erzeugten überwiegend relativ einfache Magnetfelder, die von einem Dipol geprägt waren. Sie passten schlecht zu den Voyager-Messungen.
- Mit der Tiefe zunehmende Leitfähigkeit: Die Magnetfelder wurden komplexer und asymmetrischer. Einige Modelle erreichten Strukturen, die denen von Uranus und Neptun ähnelten.
- Dünnere Dynamozone: Besonders häufig entstanden passende Magnetfeldstrukturen, wenn die elektrisch leitfähigen Strömungen auf eine vergleichsweise dünne kugelförmige Schicht begrenzt waren.
Die Forschenden konnten auch erklären, weshalb sich das Magnetfeld verändert. In den äußeren Bereichen der Dynamozone ist die elektrische Leitfähigkeit geringer. Dadurch wird die Rückwirkung des Magnetfelds auf die strömende Materie schwächer. Andere Kräfte gewinnen an Einfluss, und es bilden sich kleinere, kompliziertere Strömungsmuster. Diese verändern wiederum die Struktur des Magnetfelds.
Die Ergebnisse zeigen damit einen möglichen Weg, wie die ungewöhnlichen Magnetfelder entstehen können. Sie beweisen allerdings nicht, dass Uranus und Neptun im Inneren tatsächlich genau so aufgebaut sind wie die Modelle.
Eine mögliche Rolle spielt superionisches Wasser. In dieser besonderen Form von Wasser können sich Wasserstoffionen durch ein Gitter aus Sauerstoffatomen bewegen. Das Material ist elektrisch leitfähig und könnte unter den extremen Bedingungen im Inneren der Eisriesen vorkommen. Ob es dort tatsächlich vorhanden ist und welche Rolle es für die Magnetfelder spielt, ist noch ungeklärt.
Zwei Planeten mit unterschiedlicher Wärmeabgabe
Eine weitere Besonderheit macht die Ergebnisse interessant: Uranus und Neptun besitzen ähnlich ungewöhnliche Magnetfelder, obwohl sie sich bei der Abgabe innerer Wärme deutlich unterscheiden.
Uranus strahlt kaum mehr Energie ab, als er von der Sonne aufnimmt. Neptun gibt dagegen insgesamt fast doppelt so viel Energie ab, wie er von der Sonne erhält. Das ist für die Entstehung von Magnetfeldern wichtig. Denn Wärme aus dem Planeteninneren kann Strömungen antreiben, die am Dynamoprozess beteiligt sind.
Die neuen Simulationen zeigen, dass unterschiedliche Bedingungen im Inneren trotzdem zu ähnlich komplexen Magnetfeldern führen können. Die elektrische Leitfähigkeit und die Geometrie der Dynamozone könnten dabei wichtiger sein, als bisherige Modelle nahelegten.
Magnetachsen könnten sich innerhalb weniger Jahrzehnte stark verändern
Die Forschenden untersuchten nicht nur, wie die Magnetfelder entstehen. Sie ließen ihre Modelle auch über längere Zeiträume laufen, um Veränderungen zu verfolgen. Dabei zeigte sich, dass die Ausrichtung der magnetischen Achsen keineswegs dauerhaft stabil sein muss. In manchen Modellphasen änderte sich ihre Neigung innerhalb weniger Jahrzehnte um mehrere zehn Grad. In anderen Phasen blieb sie dagegen über vergleichbare Zeiträume nahezu unverändert.
Studienleiter Chi Yan von der University of Texas at Austin beschreibt das in der am 6. November 2026 veröffentlichten Universitätsmeldung so: „Die Modelle zeigen, dass sich die Eisriesen ganz anders verhalten können als die Erde. In manchen Phasen verändert sich die Neigung der Magnetachse innerhalb weniger Jahrzehnte um mehrere zehn Grad“.
Ob solche Veränderungen tatsächlich auf Uranus und Neptun stattfinden, ist bisher nicht nachgewiesen. Die Geschwindigkeit hängt unter anderem davon ab, welche elektrische Leitfähigkeit die Forschenden für das Planeteninnere annehmen. Hinzu kommt ein Problem: Voyager 2 passierte Uranus 1986 und Neptun 1989. Seitdem hat keine weitere Raumsonde die Magnetfelder der beiden Planeten unmittelbar vor Ort vermessen. Wie sie heute aussehen, ist deshalb nicht genau bekannt.
Können Polarlichter das Rätsel lösen?
Neue Hinweise könnten Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop liefern. Das Teleskop untersucht unter anderem die Polarlichter von Uranus und Neptun. Polarlichter entstehen, wenn energiereiche geladene Teilchen in die obere Atmosphäre gelangen und dort Lichtemissionen auslösen. Wo diese Leuchterscheinungen auftreten, hängt auch von der Struktur des Magnetfelds ab.
Bereits im Februar 2026 berichtete ingenieur.de darüber, wie Forschende mithilfe des James-Webb-Teleskops erstmals eine dreidimensionale Karte der oberen Atmosphäre von Uranus erstellten. Dabei untersuchten sie auch den Einfluss des ungewöhnlich geneigten Magnetfelds auf die Polarlichter.
Besonders interessant ist ein möglicher Unterschied zwischen beiden Planeten:
- Uranus: Bisherige Polarlichtbeobachtungen stimmen ungefähr mit den Positionen überein, die ältere Magnetfeldmodelle vorhersagen. Die Unsicherheiten sind allerdings beträchtlich.
- Neptun: Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich die Breitenlage südlicher Polarlichtemissionen zwischen 1989 und 2023 um etwa 30° verändert haben könnte.
Ob diese Verschiebung tatsächlich auf eine Veränderung des Magnetfelds zurückgeht, ist noch nicht geklärt. Das James-Webb-Teleskop misst die Magnetfelder nicht direkt. Die Forschenden versuchen vielmehr, deren Struktur aus den Polarlichtern und den Eigenschaften der oberen Atmosphäre abzuleiten. Dazu wollen sie die neuen Beobachtungen mit den alten Voyager-Daten und ihren Computersimulationen vergleichen.
Quellen
- Yan et al.: Electrical conductivity structure drives anomalous and potentially time-varying magnetic fields at Uranus and Neptune, Communications Physics, 3. November 2026. Originalstudie, Open Access.
- University of Texas at Austin: Wacky magnetic fields of ice giants may stem from conductivity changes in their deep interiors, veröffentlicht bei Phys.org am 6. November 2026.
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