6.7 Unser Sonnensystem
Das von uns bereiste Universum beschränkt sich lediglich auf unser Sonnensystem. Und selbst hier ist der Mond der einzige Himmelskörper, den Menschen bisher selbst betraten. Alle anderen Himmelskörper wurden bisher nur mit Sonden erforscht. Die am weitesten entfernte aktive Raumsonde Voyager 1 hat 2012 die Heliosphäre – der Bereich, in dem der Sonnenwind wirksam ist – verlassen und befindet sich seither im interstellaren Raum (Bild 6.53).
Bild 6.53: Künstlerische Darstellung der Heliosphäre und dem Übergang in den interstellaren Raum. Die Grenze wird Heliopause genannt.
In diesem Kapitel erfährst du über den Aufbau des Sonnensystems (engl. solar system) und die darin befindlichen Himmelskörper.
Wo genau endet unser Sonnensystem eigentlich? Die Antwort auf diese Frage hängt von der gewählten Definition ab. Die Oortsche Wolke bildet den Bereich, in dem Objekte durch die Gravitation an die Sonne gebunden sind und sich auf Keplerbahnen um diese bewegen. Eine andere Möglichkeit wäre es, die Heliopause als Grenze anzusehen, also den Einflussbereich des Magnetfeldes der Sonne.
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6.7.1 Sonne
Die Sonne (engl. sun, Symbol: ☉) ist das Zentralgestirn unseres Systems. Sie ist das einzige selbstleuchtende Objekt der weit über eine Milliarde Objekte in unserem Sonnensystem. Trotz dieser riesigen Anzahl an Objekten ist rund \(99{,}86\,\%\) der gesamten Masse des Sonnensystems in der Sonne konzentriert. Wie jeder Stern setzt die Sonne durch Kernfusion Strahlungsenergie frei und versorgt uns so mit Licht und Wärme.
Wie die Erde besitzt auch die Sonne ein Magnetfeld. Der elfjährige Sonnenfleckenzyklus ist eine Folge der Polumkehr dieses Magnetfeldes. Zu diesen Zeiten kommt es vermehrt zum Auftreten von Sonnenflecken (dunkle Stellen auf der Oberfläche, die kühler sind und daher weniger sichtbares Licht abstrahlen) und Sonneneruptionen (Auswurf von Plasma, Bild 6.54) an Stellen, an denen sich Magnetfeldlinien aus der Oberfläche ausbeulen. Nach weiteren elf Jahren stellt sich wieder die ursprüngliche Polarität des Magnetfeldes ein. Somit dauert ein vollständiger Zyklus eigentlich 22 Jahre (Hale-Zyklus).
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6.7.2 Planeten
Als Planet werden große kugelförmige Himmelskörper aus Gas oder Gestein bezeichnet, die sich um ein Zentralgestirn bewegen. In unserem Sonnensystem haben wir acht Planeten. Mit zunehmendem Abstand von der Sonne lauten sie (Bild 6.55):
- Merkur (engl. Mercury, Symbol: ☿)
- Venus (engl. Venus, Symbol: ♀)
- Erde (engl. Earth, Symbol: ♁)
- Mars (engl. Mars, Symbol: ♂)
- Jupiter (engl. Jupiter, Symbol: ♃)
- Saturn (engl. Saturn, Symbol: ♄)
- Uranus (engl. Uranus, Symbol: ⛢, entdeckt 1781)
- Neptun (engl. Neptune, Symbol: ♆, entdeckt 1846)
Während die inneren Planeten eine feste Oberfläche besitzen, sind alle äußeren Planeten ab Jupiter Gasplaneten.
Bild 6.55: Planeten und bekannte Zwergplaneten unseres Sonnensystems mit maßstabsgetreuen Größen, aber stark verkürzten Distanzen.
Die Bahnebene der Erde um die Sonne wird Ekliptikebene (kurz Ekliptik) genannt. Die Bahnen aller Planeten um die Sonne liegen ungefähr in derselben Ebene und haben denselben Umlaufsinn. Als Grund dafür wird die Entstehung des Sonnensystems aus einer protoplanetaren Scheibe angenommen.
Planeten, deren Kern noch flüssig ist, besitzen – wie die Erde – ein Magnetfeld.
Der mittlere Abstand der Erde zur Sonne wird als astronomische Einheit (\(1\;\mathrm{AE}\), engl. astronomical unit) bezeichnet und ist auf den Wert \(1{,}5\cdot 10^{11}\;\mathrm{m}\) festgelegt. Diese Einheit ist praktisch für die Angabe von Entfernungen innerhalb des Sonnensystems. Zum Beispiel beträgt der Bahnradius des Jupiters rund \(5{,}2\;\mathrm{AE}\). Damit ist der Jupiter etwa \(5{,}2\)-Mal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde.
6.7.3 Monde
So wie Planeten Sterne umkreisen, umkreisen Monde (auch natürliche Satelliten oder Trabanten) einen Planeten. Der bekannteste Mond ist der Erdmond, den wir – wenn es zu keiner Verwechslung kommen kann – einfach als „Mond“ bezeichnen. Während die Erde nur von einem Mond umkreist wird, besitzen alle anderen Planeten mehrere Monde.
6.7.4 Asteroiden
Als Asteroiden (oder Planetoiden) werden Körper mit Umlaufbahn um die Sonne bezeichnet, die noch kleiner als Zwergplaneten sind (Durchmesser von rund \(100\;\mathrm{km}\) und kleiner). Bei großen Himmelskörpern erzwingt die Gravitationskraft die Kugelgestalt. Asteroiden sind so klein und ihre Gravitation so gering, dass ihre Form deutlich von der einer Kugel abweichen kann (Bild 6.57).
Bild 6.57: Asteroid 243 Ida (links) und sein Mond Dactyl (rechts), fotografiert von der Raumsonde Galileo (1993)
6.7.5 Asteroidengürtel
Eine große Ansammlung von Asteroiden befindet sich im sogenannten Asteroidengürtel (engl. asteroid belt). Einem ringförmigen Gebiet zwischen den Planetenbahnen von Mars und Jupiter.
Bild 6.58: Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter (weiße, torusförmige Wolke). Weitere Ansammlungen von Asteroiden im inneren Sonnensystem sind die Hilda-Gruppe (orangefarbene im Dreieck angeordnete Punktwolken), Jupiter-Trojaner in den Lagrange-Punkten des Jupiter (grüne Punktwolken).
Die Anzahl der Objekte im Asteroidengürtel wird auf rund 1,5 Millionen geschätzt. Eine extreme Ausnahme bildet das größte Objekt, der Zwergplanet Ceres, mit einem Durchmesser von etwa \(950\;\mathrm{km}\). Fast alle anderen Objekte sind deutlich kleiner.
Trotz der enormen Ausdehnung des Asteroidengürtels wird die Gesamtmasse aller Objekte in ihm auf nur etwa \(3\,\%\) der Masse des Erdmondes geschätzt. Es dürfte sich also nicht um die Überreste eines ehemaligen Planeten handeln. Vielmehr wird angenommen, dass er zeitgleich mit den Planeten entstanden ist, durch den Einfluss der Gravitation des Jupiters aber die Bildung eines eigenen Planeten verhindert wurde.
6.7.6 Meteore
Stürzen Asteroiden auf die Erde, werden sie als Meteore bezeichnet. Obwohl jährlich rund 20.000 Meteoriten auf die Erde fallen, erreichen nur die wenigsten die Erdoberfläche. Die meisten verglühen aufgrund der enormen Reibungshitze beim Durchqueren der Atmosphäre. Die dabei zu beobachtende Leuchterscheinung am Himmel kennst du vermutlich unter dem Namen „Sternschnuppe“.
Bild 6.59: Luftbild des Barringer-Kraters (Arizona, USA) mit einem Durchmesser von rund \(1200\;\mathrm{m}\) m und einer Tiefe von etwa \(180\;\mathrm{m}\)
In seltenen Fällen schlägt ein Meteor auf der Erde ein und hinterlässt einen Einschlagkrater (Bild 6.59). Im Gegensatz zum Mond, der von Kratern übersät ist, werden auf der Erde Einschlagspuren in geologisch kurzen Zeiträumen durch Erosion abgetragen. Große Einschläge lassen sich allerdings durch Ablagerung von Meteorstaub in Gesteinsschichten nachweisen. Es gilt als wahrscheinlich, dass vor rund 66 Millionen Jahren ein oder mehrere Meteoriteneinschläge zum Aussterben der Dinosaurier führten.
6.7.7 Kuipergürtel
Außerhalb der Neptunbahn befindet sich ein flacher ringförmiger Bereich mit vielen Zwergplaneten (Durchmesser in etwa bis \(1000\;\mathrm{km}\)) und Asteroiden, der nach Gerard Peter Kuiper benannte Kuiperguertel@Kuipergürtel (Bild 6.60). Objekte jenseits des Neptuns werden auch als Transneptunische Objekte (TNO) bezeichnet.
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Der Kuipergürtel erstreckt sich etwa von 30 bis 50 AE um die Sonne. Er hat, wie der Asteroidengürtel, eine torusförmige Gestalt.
Seit seiner Entdeckung 1930 zählte der in diesem Bereich befindliche Pluto (engl. Pluto) zu den Planeten. Bislang haben wir allerdings mehr als 3000 weitere Himmelskörper entdeckt – darunter Eris oder Makemake (beide 2005), die teilweise sogar größer als Pluto sind. Deswegen wird seit 2006 Pluto und die restlichen kleineren Planeten zu den Zwergplaneten gezählt.
6.7.8 Oortsche Wolke
Außerhalb des Kuipergürtels wird noch ein kugelschalenförmiger Bereich, die nach Jan Hendrik Oort benannte Oortsche Wolke (engl. Oort cloud) vermutet. Nach Schätzungen sollen sich dort über eine Milliarde kleiner kosmische Objekte befinden.
Bild 6.61: Lage der Oortschen Wolke (Beachte den logarithmischen Maßstab in der Einheit AE)
Die Objekte in diesem Bereich sind zu klein und zu weit entfernt, als dass sie direkt beobachtbar sind. Selbst die von der Erde am weitesten entfernteste Raumsonde Voyager 1 bräuchte noch etwa 300 Jahre, bis sie den Bereich der Oortschen Wolke erreicht.
Allerdings wird die Oortsche Wolke als Ursprungsort von langperiodischen Kometen wie Hale-Bopp oder Hyakutake vermutet. Da ihre Bahnebenen teils erheblich von der Ekliptik abweichen, wird vermutet, dass die Oortsche Wolke eine Kugelschale um die Sonne bildet.
Sie erstreckt sich bis zu einer Entfernung von etwa \(100{.}000\;\mathrm{AE}\) (rund 1,6 Lichtjahre) und bildet die Grenze unseres Sonnensystems.
6.7.9 Kometen
Im Gegensatz zu Asteroiden bestehen Kometen aus Eis, Staub und lockerem Gestein. Sie werden scherzhaft auch als „schmutzige Schneebälle“ bezeichnet. Einige Kometen besitzen eine stark exzentrische Ellipsenbahn, die sie nahe an der Sonne vorbeiführt.
Durch den Sonnenwind wird Material von der Oberfläche eines Kometen abgetragen. Befindet sich der Komet nahe der Sonne (weniger als rund 2 AE) wird dieses als Kometenschweif sichtbar. Der Schweif zeigt dabei immer von der Sonne weg und gibt keinen Hinweis auf die Bewegungsrichtung des Kometen (Bild 6.62).
Bild 6.62: Comet C/2006 P1 McNaught (Aufnahme ESO Paranal-Observatorium)
Das abgetragene Material der Kometen hinterlässt eine Staubspur im Sonnensystem. Hat diese Spur einen Schnittpunkt mit der Erdbahn, können wir jedes Jahr zur selben Zeit gehäuft Sternschnuppen am Himmel sehen, wie die Perseiden in der ersten Augusthälfte.
6.7.10 Habitable Zone
Wir Menschen sind optimal für das Leben auf unserem Planeten angepasst. Das ist kein Zufall, denn wir sind das Ergebnis einer Jahrmillionen langen andauernden Evolution auf der Erde. Das alleine ist aber noch nicht ausreichend, denn damit wir uns als kohlenstoffbasierte Lebewesen entwickeln konnten, war und ist eine spezielle Umgebung notwendig:
Nur innerhalb eines bestimmten schmalen Abstandbereichs von einem Stern, sind die Oberflächentemperaturen für uns passend und es gibt ausreichende Mengen flüssigen Wassers.
Die Atmosphäre (Zusammensetzung und Dichte) muss so beschaffen sein, dass wir mit unseren Lungen atmen können. Außerdem muss sie ausreichend ionisierende Strahlung aus dem All abschirmen.
Die effektive Schwerkraft (6.4.4, die abhängig von Masse, Radius und Rotation des Planeten ist, muss die für uns passende Gewichtskraft ergeben, damit wir uns auf der Oberfläche fortbewegen können.
Und das sind nur die wichtigsten Punkte. Daneben gibt es noch viele weitere Bedingungen. Zum Beispiel dürfen die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht nicht zu extrem sein, die Planetenkruste muss die für uns passenden Rohstoffe in ausreichenden Mengen bieten und im Idealfall auch noch eine Tier- und Pflanzenwelt besitzen. Dieser für Leben, wie wir es kennen, mögliche Bereich in einem Sonnensystem wird als Habitable Zone (engl. habitable zone) bezeichnet (Bild 6.63).
Bild 6.63: Vergleich der habitablen Zonen in unserem Sonnensystem und dem etwa 20 Lichtjahre entfernten Systems Gliese 581
Auch wenn die Suche nach Exoplaneten eine spannende Aufgabe für Astronomen ist, trägt sie in absehbarer Zeit nichts zum Fortbestand der Menschheit bei. Denn auch wenn wir den für uns perfekt passenden Exoplaneten fänden – die Wahrscheinlichkeit liegt bei nahezu null – fehlen uns bei weitem die technischen Möglichkeiten, auch nur ein paar Menschen auf diese „Erde 2.0“ zu bringen. Daher müssen wir alle Anstrengungen unternehmen, unsere Erde in einem lebenswerten Zustand zu erhalten. Unser Heimatplanet ist für uns alternativlos!
