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Der unten aufgeführte Aufsatz wurde August 2005 geschrieben. Er ist nach wie vor ganz korrekt. Wegen der rezenten Diskussionen wird am Ende des Aufsatzes weiteres über die neuen Definitionen gegeben.
Planeten schwierig zu entdecken, Automatisiertes Suchen, Modellierung der Bahnen, Sedna, 2003 UB313, Bestimmung der Parameter eines Objektes, Was ist ein Planet? Aug. 2006: Neue Definition der IAU
Seit der Entwicklung des Teleskops (um 1600) konnte man auch schwächere Objekte (Objekte, von denen weniger Licht zu uns kommt) sehen (so entdeckte Galilei die Monde des Jupiter). Seit der Entdeckung der äusseren Planeten (1781 Uranus, 1846 Neptun, 1930 Pluto) ist immer wieder nach weiteren Planeten gesucht worden. Da es nach Pluto nun den 10.ten zu entdecken galt, wurde der nächtste Planet der Planet X genannt (mit X als römischer Zahl sowie für die "große Unbekannte").
Allerdings wurden viele andere, kleinere Objekte gefunden. Dazu zählen viele Kleinplaneten, die sich auf Bahnen zwischen Mars und Jupiter befinden. Vor einigen Jahren kamen Objekte des "Kuiper-Gürtel" hinzu (nach dem niederländischen Astronomen Kuiper benannt, der in den USA intensiv an den Aussenbereichen des Planetensystems geforscht hat), Objekte mit Bahnen im Bereich von Uranus und weiter. In noch größerer Entfernung soll sich nach den 1950 vom niederländischen Astronomen Oort geäusserten Vermutungen eine weiträumige Wolke an Kometen befinden (später die Oort-Wolke genannt), aus der durch äusseren Störungen immer mal wieder welche auf Bahnen in Richtung des Inneren des Sonnensystems gebracht werden.
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Die Positionen der Planeten ändern sich am Himmel fortlaufend. Da Planeten sich um die Sonne bewegen, ist die Richtung, in der wir einen Planeten sehen, immer eine andere. Dies ist ein einfaches Merkmal, um ein Objekt als Körper des Sonnensystems zu erkennen. Aber wenn ein Planet ganz weit weg steht, ist die Bewegung, so, wie sie projiziert an der Himmelssphäre zu sehen ist, klein (proportional zum Quadrat der Entfernung). Die Suche nach der Bewegung ist daher eine langwierige Aufgabe (aus dem Spezialgebiet der Astrometrie).
Seit der Entwicklung der
Infrarottechnologie
kann man auch nach Planeten im infraroten Teil des Spektrums suchen.
Die Oberfläche der Planeten absorbiert Sonnenwärme,
so dass diese eine gewisse Oberflächentemperatur erreichen.
Die Erdoberfläche ist etwa 20 Grad Celcius (293 Kelvin) warm,
der Uranus nur 58 K.
Kalte Objekte strahlen dennoch etwas Eigenwärme ab,
so dass sie gewissermaßen eine selbständige
(Infrarot-)Lichtquelle sind.
Je kühler die Oberfläche ist, desto weiter erscheint die Strahlung
im infraroten Teil des Spektrums.
Da die äusseren Planeten kalt sind, bot es sich an, in der 1983 mit dem
Infrared Astronomical Satellite (IRAS) im Ferninfraroten gemachten
Himmelsdurchmusterung nach weiteren Planeten zu suchen.
Es wurde aber nichts gefunden.
Allerdings fehlten etwa 10% des Himmels, da der Satellit nicht immer perfekt
funktioniert hatte.
Und so kam es, dass im Infraroten die Frage nach der Existenz
weiterer Planeten nicht abschliessend beantwortet werden konnte.
Neue Teleskoptechnologie
Etwa seit 1980 gibt es in mehreren Bereichen neue Technologien
für die astronomische Messung.
CCDs:
Auf Halbleiter basierende Detektoren, die "Charge Coupled Devices",
haben eine Empfindlichkeit für Photonen von grob 50%,
fast ein Faktor 100 besser als die bis dahin verwendete fotografische Platte.
Dies erlaubt es, die Objekte in einer um etwa 100-fach kürzeren
Belichtungszeit zu erreichen, was bei solchen schwachen Objekten wichtig ist.
Zudem liegen bei einem CCD die Daten in digitaler Form vor.
Großteleskope:
Mit neuen Materialien wurde es möglich,
Teleskope viel größerer Hauptspiegeldurchmesser
(lichtsammelnde Fläche) zu bauen.
Dies beschleunigt die Messungen ebenfalls.
Neue Computertechnologie: Neue Computertechnologie erlaubt es,
die mit CCDs gewonnenen Daten sofort in einen Rechner einzuspeisen.
So kann man sie sofort mit früher gewonnenen Daten vergleichen um
Unterschiede festzustellen.
Das wichtige Merkmal für die Suche nach Körpern des Planetensystems
ist ein Unterschied in der Position.
(Ein Unterschied in der Helligkeit ist ein Merkmal für Variabilität,
so wie bei variablen Sternen und Supernovae.)
Neuere Projekte, noch im Bau oder erst in der Planung sind
DCT: Discovery Channel Telescope (Lowell Observatory, Flagstaff);
Betrieb ab 2009.
Pan-STARRS
(Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System)
der NASA auf Hawai (4 gleiche Teleskope zur Suche nach
"Near Earth Objects", im Bau, großes Gesichtsfeld,
Kamera-Shutters aus Bonn);
Betrieb ab 2009.
LSST: Large Synoptic Survey Telescope (in Planung)
Neue Modellierungen von Planetenbahnen
Auf dem Gebiet der Himmelsmechanik gibt es einige Neuerungen.
Nicht dass die Theorie sich geändert hätte,
aber die Steigerung der Geschwindigkeit der Rechner erlaubt es, Berechnungen
schneller durchzuführen oder aber auch kompliziertere anzugehen als man
sich bisher getraut hat.
Insbesondere die sogenannten
"GRAPE-Rechner"
sind speziell für die Anwendung der Himmelsmechanik ausgelegt
(sie werden auch in Bonn verwendet).
Es gibt aber auch neue Ideen über die Struktur des Planetensystems. Die meisten der bekannten Planeten haben Monde, Körper, die sich in einer Bahn um den Planeten drehen. Kometen haben weite elliptische Bahnen um die Sonne. Auch hat man schon vor längerer Zeit entdeckt, dass einige Kometen zwar eine Bahn um die Sonne haben, aber dass sie eigentlich um den Jupiter kreisen, der sich selber um die Sonne dreht. Ein bekanntes Beispiel ist (oder eigentlich war) der Komet Shoemaker-Levy, der durch die andauernde gravitative Wechselwirkung mit Jupiter auseinander brach und dann auf Jupiter stürzte. Inzwischen wurden auch an Saturn gebundene Kometen entdeckt.
Dies alles führte zu erneutem Interesse an Berechnungen der möglichen Bahnen im Sonnensystem.
Im jungen Planetensystem gab es vermutlich sehr viele Objekte, kleine, größere und Objekte, die noch weiteres an Material aus der Umgebung aufsammelten. In der Nähe der jungen Sonne wurde es bald so heiss, dass die kleineren Körper kein Gas mehr festhalten konnten und daher jetzt ohne Atmosphäre existieren. Weiter entfernt von der Sonne konnten noch immer Gas und festes Material aufgesammelt werden und diese Objekte wuchsen, bis sie zum Teil wirklich groß waren, wie der Jupiter.
Bei so vielen Objekten gibt es immer mal wieder nahe Vorübergänge, die zu gegenseitiger gravitativer Wechselwirkung führen. Die Bahnen werden dadurch geringfügig geändert. Ab und zu ist solch eine Wechselwirkung groß und es kann passieren, dass das kleinere der beiden Objekte aus seiner Bahn abgelenkt wird. Dies kann zum Beispiel zur Folge haben, dass Asteroiden aus dem Asteroidengürtel heraus in eine Bahn gebracht werden, wo sie in Erdnähe kommen können. Oder ggf. wurden in der Frühphase der Entwicklung des Planetensystems verschiedene Objekte in Richtungen (Bahnen) weg von der Scheibe befördert oder ggf. auch aus dem Planetensystem heraus geschleudert.
Nach vielen gravitativen Wechselwirkungen können Planeten aus ihrer Bahn herausgeschleudert werden, auch weit aus der Scheibe des Planetensystems heraus. (Bild aus Clark 2005) |
Es gab also seit einigen Jahren die Vermutung, dass es Objekte des Planetensystems ausserhalb der planetaren Scheibe geben kann, und dass man daher auch ausserhalb der Ekliptik suchen sollte.
| Skizze der Bahn des neuen Planeten "Sedna" projiziert auf die Ebene des Planetensystems. Die gefärbten Punkte stellen die Lage der Objekte des inneren Planetensystems dar. Bild von der Webseite der Entdecker |
Sednas Durchmesser ist 1200-2400 km, etwa 5 bis 10 mal so klein wie die Erde. An Hand der Messungen in verschiedenen Wellenlängenbereichen konnte man auf eine sehr niedrige Oberflächentemperatur schliessen. (Siehe unten bei Methode zur Bestimmung der Parameter solcher Objekte.)
| Skizze der Größe einiger Planeten und "Sedna" im Vergleich, und Angabe ihrer heutigen Entfernung von der Sonne (unten im Bild; bn km = milliard km). Bild von der Webseite der BBC. |
Sedna wurde nach einer Göttin des tiefen kalten Eismeeres des Inuit-Volkes benannt, um eben auf das Kalte und das Eishaltige des Objektes hinzuweisen. Die uns schon lange bekannten Planeten sind nach Göttern der griechisch-römischen Mythologie benannt.
2003 UB313 umkreist die Sonne in einer Entfernung von etwa 14 Milliarden Kilometern und hat (vermutlich; siehe unten bei Methoden) einen Durchmesser von etwa 3000 km (also etwa 1/4 der Erde). Wegen der großen Entfernung von der Sonne hat die Oberfläche eine Temperatur von nur -240 Grad C (oder etwa +30 K).
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| Skizze der Bahn des neuen Planeten "2003 UB313" (rot) projiziert auf die Ebene des Planetensystems. Die Bahn ist sehr elliptisch. Die äussere schwarz/rote Bahn ist die des Pluto, die äussere schwarze die des Neptun. Bild von der Webseite der Entdecker | Die Bahn von "2003 UB313" (rot) ist um 44 Grad gegenüber der Ebene des Planetensystems geneigt. 2003 UB313 kommt also weit aus der Scheibe heraus! Die anderen Bahnen (schwarz) sind die der bekannten Planeten jenseits der Erdbahn. Plutos Bahn ist um 17 Grad geneigt. |
Mit der nun bekannten Entfernung kann man berechnen, wieviel Sonnenlicht nach Reflexion am Objekt zu uns kommen soll. In letzterer Berechnung gibt es "freie" Parameter, d.h., Merkmale die (noch) nicht bekannt sind, aber deren Wert auf vernünftige Art abgeschätzt werden kann. Es handelt sich um den Durchmesser (D) und die Reflexionsfähigkeit (A; Bruchteil, mit 1 für Vollreflexion) der Oberfläche. Zusammen bestimmen sie, wieviel Licht vom Objekt reflektiert wird, und zwar πD2 x A. Wählt man D und A groß, so liefert die Berechnung (unter Berücksichtigung der Entfernung) eine Lichtmenge, die größer ist als beobachtet, und umgekehrt. Für die Reflexionsfähigkeit setzt man Werte ein, so, wie sie für andere Objekte des Planetensystems bekannt sind. Werte von A überdecken allerdings den großen Bereich von 0.1 bis 0.9.
Messung des Durchmessers: Es erfordert eine ganz andere Messtechnologie, um das Objekt räumlich aufzulösen. Dann gibt es den richtigen Wert für den Durchmesser und es folgt der Wert für A und damit lässt sich Weiteres berechnen.
Messung der Oberflächentemperatur: Auch kann man versuchen, das Objekt im fernen Infrarot zu detektieren. Da alle Körper etwa nach dem Planckschen Strahlungsgesetz strahlen und zudem die Gesamtstrahlung dem bekannten Gesetz der Leuchtkraft (L= 4πR2 σT4) gehorcht, kann aus der thermischen Strahlung auf die Größe der Oberfläche (D=2R) geschlossen werden. Schliesslich weiss man auch (wegen der Entfernung), wieviel Sonnenenergie beim Objekt eintrifft. Wegen der Größe der absorbierenden Fläche und abhängig von der Größe des absorbierten Anteils des einfallenden Lichtes (1-A) nimmt das Objekt Energie auf. Basierend auf der gemessenen Temperatur kann man so A bestimmen.
Das Volumen folgt aus dem Durchmesser und zusammen mit der schon bekannten Masse folgt dann die mittlere Materiedichte. Aus der Materiedichte kann man auf die Zusammensetzung schliessen: Gesteine haben eben eine Materiedichte von etwa 4, Eis von nur 0.95 Gramm pro Kubikzentimeter.
Mit möglichst vielen der verschiedenen Messungen lässt sich
eine Konsistenz zwischen allen Parametern (D, A, T) erreichen.
Wann ist ein Körper des Planetensystems ein Planet?
Die Entdeckung weiterer weit entfernter Objekte im Planetensystem hat erneut
die Frage nach der Definition des Begriffs "Planet" aufgeworfen.
Es gibt bisher keine Definition und es ist eigentlich unmöglich eine
gute auszudenken.
1. Aus der Antike: Planet = Wanderstern,
ein Objekt, das sich (an der Himmelssphäre) bewegt und nicht einer
der "Fixsterne" ist (es sind sowieso nicht "Sterne").
In moderner Zeit entdeckte Objekte wie "Ceres" (siehe oben)
passen zu der Definition,
sie werden aber "Planetoiden" (Kleinplaneten, Asteroiden) genannt.
2. Planet als Objekt in einer selbständigen vielleicht elliptischen Bahn
um die Sonne.
Mehrere Kometen würden in diese Kategorie fallen und
Kometen werden nicht zu den Planeten gerechnet.
3. Planet als runder kalter Körper, mit genug Masse,
so dass die eigene Schwerkraft das Objekt "rund" macht.
(Rund ist auch relativ, die Erde mit z.B.
dem Himalaya in 8000m Höhe oder 1/1000 des Erdradius, gilt noch als rund;
Der Saturn rotiert schnell (10 Stunden)
und hat daher eher eine ellipsoidale Form (10%),
ist dennoch ein Planet.)
Hier wäre die untere Massengrenze etwa 1/3 des Pluto.
Damit wäre 2003 UB313 ein Planet, Sedna wohl eher nicht.
Aber auch mancher Mond wäre dann in die Kategorie Planet einzuordnen.
4. Planet als Objekt, das nicht zu einer Gruppe gehört,
so wie es die Gruppe der Kuiper-Belt-Objekte gibt
oder die Objektgruppe der Oortschen Wolke.
Sedna gehört eher in die Gruppe der Kuiper-Belt-Objekte,
aber Pluto wohl auch.
5. Eine geschickte Kombination von Bedingungen 1-4.
Versucht man dies, dann sieht man bald die Schwierigkeiten bei der
Findung einer eindeutigen Definition.
Zusammenfassend: es gibt keine allgemein akzeptierte Definition. Je nach der Wahl hätte unser Planetensystem heute 10 oder vielleicht auch 15-20 Planeten!
Bisher wurden schon einige Kuiper-Gürtel-Objekte entdeckt wie 2003 EL61, Quaoar, 2005 FY9
Für die Entdeckung von Exo-Planeten müssen ganz andere Techniken verwendet werden.
Messungen mit dem Gerät "MAMBO" am
30-m Radioteleskop von IRAM in Spanien erlaubten es,
die Strahlung von 2003 UB313
(inzwischen "Xena" genannt) bei 1.2 mm zu bestimmen.
Dies ist eine Wellenlänge,
bei der (wenn überhaupt) nur ganz geringe Mengen
an Sonnenstrahlung reflektiert werden,
so dass die gemessene Intensität nur die eigene Wärmestrahlung
des 2003 UB313 darstellt.
Die Intensität liefert mit Hilfe der Planck-Funktion in der
Rayleigh-Jeans-Näherung
die Temperatur an der Oberfläche.
Mit bekannter Entfernung folgt dann die Größe des Durchmessers,
der bestätigt wurde auf 3000 km.
Bertoldi und Kollegen konnten so zeigen,
dass 2003 UB313 wohl größer ist als Pluto!
Daher sollten beide Objekte dann der Kategorie "Planet"
angehören,
oder eben beide nicht.
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Die neuen Definitionen sind:
(1) Ein "Planet" ist ein Objekt, dass
(a) sich in einer Bahn um die Sonne bewegt,
(b) so viel Masse hat, dass es durch die eigene Schwerkraft
nahezu rund ist, und
(c) es in der Umgebung der Bahn keine kleineren Objekte mehr gibt.
(2) Ein "Zwergplanet" ist ein Objekt, dass (a) sich in einer Bahn um die Sonne bewegt, (b) so viel Masse hat, dass es durch die eigene Schwerkraft nahezu rund ist, aber (c) es die Umgebung des Bahns nicht von kleineren Objekte befreit hat.
(3) Alle andere Objekte, ausser den Monden der Planeten und Zwergplaneten, werden "Kleine Objekte im Sonnensystem" genannt.