Im Jahr 1914 wird in Dalj im Osten des heutigen Krotatiens ein Mann verhaftet. Er hatte in einem früheren Krieg als Soldat für das serbische Militär gekämpft und die Streitkräfte Österreich-Ungarns wollen ihn nun daran hindern, im kurz zuvor ausgebrochenen Weltkrieg zu kämpfen. Doch das hatte er ohnehin nicht vor: In seinem erzwungenen Exil in Budapest wird er in den kommenden vier Jahren fernab des Kriegsgeschehens eine Theorie ausarbeiten, die erstmals die Sphären des Himmels mit dem Klima der Erde verbinden wird. Er wird drei Phänomene entschlüsseln, die wir heute als Milanković-Zyklen kennen, benannt nach dem serbischen Mathematiker Milutin Milanković.

Karl erzählt in dieser Podcastfolge, welches Problem Milanković zu lösen versuchte: Schon ein Jahrhundert zuvor hatten Geologen erkannt, dass das Klima der Welt nicht immer so gewesen war wie in der Gegenwart. Im Jahr 1837 gab der Schweizer Naturforscher Louis Agassiz deshalb bekannt, dass in Europa in grauer Vorzeit eine Eiszeit geherrscht haben müsse. Riesige Gletschermassen hätten sich nicht nur über den gesamten Alpenraum ausgebreitet, sondern auch weite Teile Europas bedeckt.

In den folgenden Jahrzehnten erhärtete sich die Hypothese von Agassiz. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass es sogar mehrere Eiszeiten gegeben haben musste, die von Zeiten wärmeren Klimas unterbrochen waren, die unserer heutigen Welt glichen. Doch warum dieser Wechsel von Kalt- und Warmzeiten überhaupt stattfand, dafür gab es viele Hypothesen und nur wenig Konsens. Das Eiszeit-Problem war jahrzehntelang in der Welt, ohne dass die Wissenschaft einer Lösung näherkam.

Von Anfang an waren Unregelmäßigkeiten der Erdbahn und andere astronomische Ursachen im Gespräch, aber bei den meisten Geologen nicht hoch im Kurs. Zu fern schien der Lauf der Planeten, zu unwahrscheinlich, dass sie die Kraft der Sonnenstrahlung auf der Erde ausreichend stark verändern würden. Erst Milutin Milanković änderte diese Sichtweise: Er nutzte genauere astronomische Daten und die bekannten physikalische Gesetze seiner Zeit, um zu berechnen, wie die Sonne auf das Klima der Erde auf unterschiedlichen Breitengraden wirkt. Hatte dieser serbische Mathematiker endlich das Eiszeit-Problem gelöst?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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Quelle: DLR.

„Die letzte Marsopposition am 27. Juli 2018 dürfte den meisten hierzulande noch gut in Erinnerung sein“, bemerkt Dr. Manfred Gaida, Astronom und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Extraterrestrik im DLR Raumfahrtmanagement. „Denn am damaligen Oppositionstag fand in den hochsommerlichen Abendstunden eine totale Mondfinsternis statt, die so viele Menschen ins Freie lockte, wie es seit der Sonnenfinsternis am 11. August 1999 nicht mehr der Fall gewesen war. Zugleich war es auch mit 103 Minuten die längste totale Mondfinsternis dieses 21. Jahrhunderts.“

Mars erreichte seinerzeit eine Erddistanz von 57,6 Millionen Kilometern, diesmal sind es rund vier Millionen Kilometer mehr. Ursache für die jeweils unterschiedlichen Oppositionsentfernungen ist die deutliche Exzentrizität der Marsumlaufbahn im Vergleich zur mehr kreisförmigen Erd- und Venusbahn. Diese Exzentrizität war es auch, die den dänischen Astronomen Tycho Brahe (1546-1601) vor ein Rätsel bei seinen Beobachtungen stellte, welches erst von Johannes Kepler (1571-1630) nach Brahes Tod zutreffend aufgelöst wurde und in den ersten beiden Keplerschen Gesetz seinen Ausdruck findet.

Erst Ellipsenbahnen konnten die beobachteten Planetenpositionen richtig erklären
Zu jener Zeit, im ausgehenden 16. Jahrhundert, war das Weltbild, das Nicolaus Copernicus mit der Veröffentlichung seines Werks De revolutionibus orbium coelestium („Über die Umlaufbahnen der Himmelssphären), in dem nicht die Erde, sondern die Sonne im Zentrum unserer „Welt“ steht, noch nicht vollständig etabliert. Wohl bestätigten Beobachtungen der sichtbaren Planeten den Irrtum der vor allem von der Kirche hochgehaltenen festen Ansicht, dass, wie es die Bibel über jeglichen Zweifel erhaben lehrte, die von göttlicher Hand geschaffene Erde unbewegt im Zentrum dieser Welt stehen müsse. Doch auch das heliozentrische Weltbild konnte zu Beginn noch nicht alle Ungereimtheiten ausräumen. So ging Copernicus noch von planetaren Kreisbahnen aus, aber berechnete man mit dieser Annahme die Positionen der Planeten, waren diese manchmal „voraus“ oder blieben „hinterher“ und man bedurfte weiterhin der ptolemäischen Epizykeltheorie, um dieses Verhalten mathematisch zu erklären. Erst als Kepler anhand der sehr präzisen Beobachtungen Brahes herausfand, dass sich die Planeten nicht ausschließlich auf Kreisbahnen um die Sonne bewegen, sondern in Wirklichkeit auf Ellipsen, auf denen sie je nach Abstand zur Sonne einmal schneller oder langsamer laufen, konnte auch dieses Problem schlüssig gelöst werden.

Noch größeres Stirnrunzeln verursachte die Beobachtung, dass die im Kopernikanischen Weltbild als „äußere“ Planeten erkannten Planeten Mars, Jupiter und Saturn einige Wochen vor ihrer Opposition auf einmal am Firmament zurückwanderten, also ihre scheinbare rechtläufige Bewegung am Nachthimmel umkehrten. Diese Bewegungsrichtung behalten sie noch einige Wochen bei, nachdem sie die Opposition durchlaufen haben, bis sie schließlich an einem zweiten Wendepunkt wieder stationär und danach rechtläufig werden. Die Ursache für dieses Bewegungsmuster liegt darin, dass die Erde auf ihrer inneren gekrümmten Bahn schneller ist und den beobachteten äußeren Planeten überholt. Dadurch beschreiben die drei äußeren Planeten über mehrere Wochen hinweg am Himmel eine sogenannte Oppositionsschleife. Bei Mars fing sie am 9. September an und wird am 15. November enden.

2020 – günstiges Jahr für den Start von Marsmissionen
Im Takt der synodischen Umlaufzeit von im Mittel 780 Tagen starten denn auch seit Jahrzehnten unbemannte Raumsonden zum Mars. Auf diese Weise wird die Flugbahn der Sonde geometrisch und damit energetisch vorteilhaft. So war es bei der NASA InSight-Mission, die am 5. Mai 2018 von der Vandenberg Airforce Base in Kalifornien zum Mars abhob, und ebenfalls bei den diesjährigen Missionen al Almal (VAE), Tianwen 1 (VR China) und die NASA-Mission Mars 2020 mit dem großen, 900 Kilogramm schweren Marsrover Perseverance („Ausdauer“), die am 30. Juli von Cape Canaveral aus zum Mars startete und ihn schon am 18. Februar 2021 erreichen soll. Auf diesen gut zweijährigen Besuchsturnus, den die Himmelsmechanik vorgibt, müssen wir uns auch bei künftigen astronautischen Marsflügen einstellen. Wenn sich vor der nächsten Marsopposition 2022 das „Startfenster“ erneut öffnet, wird die Landemission ExoMars der Europäischen Weltraumorganisation ESA mit ihrem Rover Rosalind Franklin auf die Reise geschickt werden.

Die diesjährige Marsopposition findet noch relativ nahe am Marsperihel statt und lässt sich daher gut beobachten sowie fotografisch eindrucksvoll abbilden. Eine ebenfalls günstige Marsopposition legte 143 Jahre zuvor den Grundstein für die moderne Marsforschung: Als Anfang September 1877 Mars nur 56,3 Millionen Kilometer von der Erde entfernt war und in Mailand minus 2,9 Größenklassen hell und 33 Grad hoch am Himmel stand, fielen dem italienischen Astronomen Giovanni Schiaparelli (1835-1910) beim Blick durch sein Teleskop feine, gerade, dunkle Linien auf der Marsoberfläche auf, welche die dunklen ‚Meere‘ auf dem Mars miteinander zu verbinden schienen und die er ‚canali‘ (Rinnen) nannte. Die vermeintlichen Rinnen, so die allgemeine Annahme, konnten nur von intelligenten, technisch versierten Lebewesen einer strukturierten Zivilisation geschaffen worden sein: Die Idee der Marsmenschen war geboren. Erst die Kameraaugen der US-amerikanischen Marssonde Mariner 9 sollten im Jahre 1971 die ‚canali‘ endgültig als optische Illusion entpuppen.

Dafür wissen wir aber über den Mars heute ungemein mehr als über alle anderen Planeten des Sonnensystems. Eine ganze Armada von Orbitern und Rovern hat sich seit Mariner 9 des roten Planeten wissenschaftlich angenommen. So deckt das seit 2004 gewonnene eindrucksvolle Kartenmaterial der hochauflösenden HRSC-Kamera auf der von der ESA dieser Tage bis Ende 2022 verlängerten Mars-Express-Mission den Planeten topographisch zu einem höheren Prozentsatz im Detail ab, als es bei der Erde (aufgrund der ausgedehnten, tiefen strahlungsabsorbierenden Ozeane) der Fall ist.

Wissenschaftlich steht die mögliche (einstige) Habitabilität und die Klimageschichte des Nachbarplaneten im Vordergrund. War der Planet in seiner Anfangszeit klimatisch nicht so kalt wie heute, dass sich einfache Lebensformen auf ihm haben bilden können? Wo ist das Wasser in flüssiger und gefrorener Form verblieben, auf dessen einstiges Vorhandensein zahlreiche ausgetrocknete Flussbetten und Canyons auf der Marsoberfläche hinweisen? Welche Erkenntnisse schlummern in den obersten Bodenschichten und stimmen die Modelle, die wir vom inneren Aufbau des Planeten haben? Und ist der Mars schließlich ein Ort, auf dem die Menschheit einst über reine Forschungs- und Fertigungsstationen hinaus, dauerhaft Fuß fassen und eine eigene von der Erde weitgehend autonome Basis gründen könnte?

Solche weiterführenden aktuellen Fragestellungen bieten sich beim Betrachten des „nahen“ Marsscheibchens in den kommenden Tagen an. Und wenn man sich vorstellt, Mars hätte sich vor 4,5 Milliarden zu einem erdgroßen und erdähnlichen Planeten entwickelt, wäre es nicht völlig ausgeschlossen, dass sich in unserem Sonnensystem im Laufe der Zeit auf zwei relativ nahe beieinander liegenden Planeten höheres Leben entwickelt hätte.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Hubble Space Telescope.

Bei dem in einer Entfernung von rund 25 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild „Südlicher Fisch“ (lateinischer Name „Piscis Austrinus“) befindlichen Stern Fomalhaut handelt es sich um einen etwa 100 bis 300 Millionen Jahre alten Stern der Spektralklasse A3 V, welcher in etwa über die doppelte Masse unserer Sonne verfügt. Bereits in den 1980er Jahren entdeckte Astronomen mittels des Infrarot-Weltraumteleskops IRAS, dass Fomalhaut von einem rund 250 Astronomische Einheiten durchmessenden Staubring umgeben ist, welcher in der Folgezeit durch das Hubble Space Telescope (HST) auch im sichtbaren Licht abgebildet werden konnte.

Die asymmetrische Form des Ringes und dessen anscheinend enge räumliche Begrenzung wurde von den Astronomen auf einen Planeten zurückgeführt, welcher Fomalhaut umkreist. Und tatsächlich gelang es, diesen Exoplaneten mit dem Hubble-Weltraumteleskop in den Jahren 2004 und 2006 direkt abzubilden. Entsprechende wissenschaftliche Publikationen wurden im Jahr 2008 veröffentlicht. Bei späteren Beobachtungen mit verschiedenen Infrarotteleskopen war es den Wissenschaftlern allerdings nicht gelungen, den Exoplaneten erneut eindeutig nachzuweisen, was zwischenzeitlich zu ernsthaften Zweifeln an der Existenz von „Fomalhaut b“ – so seine offizielle Bezeichnung – führte.

Neue Beobachtungen, welche im Jahr 2012 ebenfalls mit dem Hubble Space Telescope erfolgten, haben nun jedoch gezeigt, dass sich Fomalhaut b auf einem hochgradig elliptischen Orbit um seinen Zentralstern bewegt und der von dem Staubring ausgefüllte Bereich zudem deutlich umfangreicher ausfällt, als bislang angenommen wurde. Dieser Staubring erstreckt sich demzufolge in einer Entfernung von etwa 22 Milliarden bis zu fast 32 Milliarden Kilometern vom Stern.

Der Exoplanet Fomalhaut b verfügt laut den durch die Beobachtungen gewonnenen Daten über einen sehr elliptischen Orbit, wobei er sich seinem Zentralstern auf eine Entfernung von bis zu rund 7,4 Milliarden Kilometern nähert. Beim Passieren der Apoapsis, den Punkt der größten Entfernung zum Zentralstern, befindet sich der Planet dagegen in einer Entfernung von mehr als 43 Milliarden Kilometern zum Stern Fomalhaut. Für eine vollständige Umrundung seines Stern benötigt Fomalhaut b etwa 2.000 Jahre.

Zum Vergleich: Der Neptun, der äußerste Planet unseres Sonnensystems, ist im Mittel lediglich 4.495 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. Der Unterschied zwischen der kleinsten und der größten Entfernung zur Sonne während eines knapp 165 Jahre dauernden kompletten Neptun-Umlaufes beträgt dabei nur etwa 103 Millionen Kilometer.

„Wir waren geschockt. Damit hatten wir nicht gerechnet“, so Paul Kalas von der University of California in Berkeley/USA und vom SETI-Institute in Mountain View/Kalifornien, der Leiter des Astronomenteams, welches die Hubble-Daten auswertete und vergangene Woche auf einem Treffen der American Astronomical Society (AAS) in Long Beach/USA präsentierte.
Paul Kalas und sein Team vermuten, dass sich Fomalhaut b nicht immer auf seiner jetzt zu beobachtenden Umlaufbahn bewegt hat, sondern dass der ursprüngliche Orbit dieses Planeten in einem deutlich geringeren Abstand zu seinem Zentralstern verlief. Demnach könnte es sich bei Fomalhaut b um einen ehemaligen „Hot Jupiter“ handeln, einen Exoplaneten, welcher in etwa die Masse des Jupiters erreicht und seinen Zentralstern zudem auf einer sehr engen Bahn umkreist.

Wie gelangte Fomalhaut b jedoch auf seine jetzige Umlaufbahn?
Hierfür könnte zum Beispiel ein weiterer, bisher allerdings noch unentdeckter Planet in diesem Sternsystem verantwortlich sein, welcher sich im inneren Bereich des Systems von Fomalhaut befindet. Durch die in der Vergangenheit erfolgten nahen Begegnungen dieser beiden Planeten wurde Fomalhaut b schließlich infolge der gravitativen Wechselwirkungen zwischen den beiden Planeten auf seine jetzige, ungewöhnlich langgestreckte Umlaufbahn befördert, welche ihn weit über den äußeren Rand der die den Zentralstern umgebenden Staubscheibe hinaus führt.

„Hot Jupiters werden manchmal durch dichte Begegnungen mit einem anderen Planeten auf andere Umlaufbahnen gelenkt“, so Mark Clampin vom Goddard Space Flight Center der NASA. „Dabei verbleibt einer der Planeten im Inneren des Systems und der andere wird nach außen befördert. Fomalhaut b könnte der Planet sein, der dabei nach außen befördert wurde.“

Die Beobachtungen des Hubble Space Telescope haben zudem gezeigt, dass sich in dem Staubgürtel, welcher den Stern Fomalhaut umgibt, eine deutlich erkennbare Lücke erstreckt. Diese Lücke, so die Astronomen, könnte durch einen weiteren, bislang ebenfalls unentdeckten Planeten entstanden sein, welcher genau in diesem Bereich seinen Zentralstern umrundet und dabei im Laufe der Zeit die Umgebung seiner Umlaufbahn von Staub und Trümmerteilen „gereinigt“ hat (Raumfahrer.net berichtete über vergleichbare Forschungsergebnisse aus dem Jahr 2012). Eine Fortsetzung der Suche nach weiteren Exoplaneten im Sternsystem Fomalhaut erscheint laut der Überzeugung der Astronomen deshalb als erfolgversprechend.

Ein kosmisches Feuerwerk?

Sollte die Orbitebene des Exoplaneten Fomalhaut b identisch sein mit der Ebene, auf der sich auch der den Zentralstern umgebende Staubring erstreckt, so würde Fomalhaut b auf seiner Umlaufbahn in etwa 20 Jahren den inneren Rand des äußeren Staubgürtels erreichen. Falls dies zutrifft, so dürfte der Planet aller Wahrscheinlichkeit nach während des anschließenden Passierens dieses Gürtels in den folgenden Jahren mit zahlreichen größeren Trümmerstücken kollidieren. Diese Zusammenstöße könnten dann zu einem ähnlichen „kosmischen Feuerwerk“ führen wie die im Sommer 1994 erfolgte Kollision des Kometen Shoemaker-Levy 9 mit dem Jupiter.

Diese Kollisionen, so die Astronomen, sollten sich bei Beobachtungen im Infrarotbereich bemerkbar machen und sich mit entsprechenden Instrumenten registrieren lassen. Verläuft der Orbit von Fomalhaut b dagegen nicht auf der gleichen Ebene, welche der Staubring einnimmt, so wird in den kommenden Jahren lediglich eine allmählich erfolgende Helligkeitsabnahme des Planeten zu beobachten sein, da sich Fomalhaut b gegenwärtig immer weiter von seinem Zentralgestirn entfernt.

Der Stern Fomalhaut, der ihn umgebende Ring aus Staub und Trümmerteilen und die dort befindlichen Exoplaneten sind für die Astronomen deshalb von besonderem Interesse, weil es sich hierbei um ein noch verhältnismäßig junges Sternsystem handelt, welches unserem Sonnensystem zudem sehr nahe gelegen und somit relativ gut zu beobachten ist.

Die dort gegenwärtig ablaufenden Prozesse weisen vermutlich große Ähnlichkeiten mit den Abläufen auf, welche sich in dessen frühen Entwicklungsstadium auch einstmals in unserem heimischen Sonnensystem abspielten. Die Studie von Fomalhaut liefert somit Erkenntnisse darüber, wie sich unser Sonnensystem vor mehr als vier Milliarden Jahren entwickelt hat.

Dank Fomalhaut b können die Astronomen hier in einige Jahren zudem vielleicht auch beobachten, was passiert, wenn ein Planet eine Region aus relativ dicht gepackten Trümmerteilen durchläuft, welche gewisse Ähnlichkeiten mit dem Kuipergürtel unseres Sonnensystems aufweist.

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