Quelle: ESON 19. Juli 2023.

19. JUli 2023 – Das Team spürte eine Trümmerwolke auf, die sich die Umlaufbahn mit diesem Planeten teilen könnte. Dabei handelt es sich ihrer Meinung nach um die Bausteine eines neuen Planeten oder um die Überreste eines bereits entstandenen Planeten. Sollte sich diese Entdeckung bestätigen, wäre dies der bisher stärkste Beleg dafür, dass sich zwei Exoplaneten eine Umlaufbahn teilen können.

„Vor zwei Jahrzehnten wurde theoretisch vorhergesagt, dass Planetenpaare mit ähnlicher Masse die gleiche Umlaufbahn um ihren Stern haben könnten, die so genannten trojanischen oder co-orbitalen Planeten. Zum ersten Mal haben wir Hinweise gefunden, die für diese Idee sprechen“, sagt Olga Balsalobre-Ruza, Studentin am Zentrum für Astrobiologie in Madrid, Spanien, die die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie geleitet hat.

Trojaner, Gesteinskörper auf der gleichen Umlaufbahn wie ein Planet, kommen in unserem eigenen Sonnensystem häufig vor ^[1]. Das berühmteste Beispiel sind die trojanischen Asteroiden des Jupiter – mehr als 12.000 Gesteinskörper, die sich auf der gleichen Umlaufbahn um die Sonne befinden wie der Gasriese. Astronomen haben vorausgesagt, dass Trojaner, insbesondere trojanische Planeten, auch um einen anderen Stern als unsere Sonne existieren könnten, aber es gibt nur wenige Beweise für sie. „Exotrojaner [trojanische Planeten außerhalb des Sonnensystems] waren bisher wie Einhörner: Theoretisch könnten sie existieren, aber niemand hat sie je entdeckt“, sagt Mitautor Jorge Lillo-Box, ein leitender Forscher am Zentrum für Astrobiologie.

Jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dank ALMA, an dem die ESO beteiligt ist, den bisher stärksten Beobachtungshinweis für die Existenz trojanischer Planeten gefunden – im System PDS 70. Dieser junge Stern beherbergt bekanntlich zwei riesige, jupiterähnliche Planeten, PDS 70 b und PDS 70 c. Bei der Analyse archivierter ALMA-Beobachtungen dieses Systems entdeckte das Team eine Trümmerwolke an der Stelle in der Umlaufbahn von PDS 70 b, an der Trojaner vermutet werden.

Trojaner befinden sich in zwei so genannten Lagrange-Zonen, ausgedehnten Regionen auf der Umlaufbahn eines Planeten, in denen die kombinierte Anziehungskraft des Sterns und des Planeten Material einfangen kann. Bei der Untersuchung dieser beiden Bereiche auf der Umlaufbahn von PDS 70 b entdeckten die Astronomen ein schwaches Signal, was darauf hindeutet, dass sich dort eine Trümmerwolke mit einer Masse befinden könnte, die etwa doppelt so groß ist wie die unseres Mondes.

Das Team ist der Ansicht, dass diese Trümmerwolke auf eine bereits existierende trojanische Welt in diesem System oder auf einen Planeten hinweisen könnte, der sich gerade bildet. „Wer könnte sich zwei Welten vorstellen, die sich die Dauer des Jahres und die Bedingungen für die Bewohnbarkeit teilen? Unsere Arbeit ist der erste Beweis dafür, dass diese Art von Welt existieren könnte“, sagt Balsalobre-Ruza. „Wir können uns vorstellen, dass ein Planet seine Umlaufbahn mit Tausenden von Asteroiden teilen kann, wie im Fall des Jupiters, aber es ist für mich verblüffend, dass Planeten dieselbe Umlaufbahn teilen könnten.“

„Unsere Forschung ist ein erster Schritt, um nach ko-orbitalen Planeten in einem sehr frühen Stadium ihrer Entstehung zu suchen“, sagt Mitautorin Nuria Huélamo, eine leitende Wissenschaftlerin am Zentrum für Astrobiologie. „Dies wirft neue Fragen zur Entstehung von Trojanern auf, wie sie sich entwickeln und wie häufig sie in verschiedenen Planetensystemen vorkommen“, fügt Itziar De Gregorio-Monsalvo, Leiterin des ESO-Büros für Wissenschaft in Chile, hinzu, die ebenfalls an dieser Untersuchung beteiligt war.

Um ihre Entdeckung vollständig zu bestätigen, wird das Team bis nach 2026 warten müssen. Dann wollen sie ALMA nutzen, um zu prüfen, ob sich sowohl PDS 70 b als auch seine Geschwisterwolke aus Trümmern auf ihrer gemeinsamen Umlaufbahn um den Stern deutlich bewegen. „Dies wäre ein Durchbruch auf dem Gebiet der Exoplaneten“, sagt Balsalobre-Ruza.

„Die Zukunft dieses Themas ist sehr spannend, und wir freuen uns auf die für 2030 geplanten erweiterten ALMA-Möglichkeiten, die die Fähigkeit des Arrays, Trojaner in vielen anderen Sternen zu charakterisieren, dramatisch verbessern werden“, schließt De Gregorio-Monsalvo.

Endnoten
^[1] Als die Asteroiden in der Umlaufbahn des Jupiters entdeckt wurden, benannte man sie nach den Helden des Trojanischen Krieges, woraus sich der Name Trojaner für diese Objekte ergab.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in einem Artikel vorgestellt, der in Astronomy & Astrophysics erscheint.

Das Team besteht aus O. Balsalobre-Ruza (Centro de Astrobiología [CAB], CSIC-INTA, Spanien), I. De Gregorio-Monsalvo (European Southern Observatory [ESO], Chile), J. Lillo-Box (CAB), N. Huélamo (CAB), Á. Ribas (Institut für Astronomie, Universität Cambridge, UK), M. Benisty (Laboratoire Lagrange, Université Côte d’Azur, CNRS, Observatoire de la Côte d’Azur, Frankreich und Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Frankreich), J. Bae (Department of Astronomy, University of Florida, USA), S. Facchini (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, Italien) und R. Teague (Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology, USA).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsartikel:
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2311/eso2311a.pdf

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• ESO-Projekt *ALMA*
• Exoplaneten

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Quelle: ESA.

1. Februar 2022 – Obwohl man schon seit vielen Jahren über die Existenz von Erdtrojanern spekuliert hatte, wurde die erste direkte Beobachtung eines solchen vor etwas mehr als einem Jahrzehnt bestätigt. Seitdem wurde kein zweiter Erdtrojaner mehr entdeckt – bis jetzt.

Toni Santana-Ros (TSR) von der Universität Alicante und dem Institut für Kosmoswissenschaften der Universität Barcelona und Laura Faggioli (LF) vom Koordinationszentrum für erdnahe Objekte (Near-Earth Object Coordination Centre; NEOCC) der ESA erörtern hier die Bedeutung und die Herausforderungen hinter der Entdeckung des zweiten Asteroiden vom Typ Erdtrojaner.

Santana-Ros ist der Hauptautor des am 1. Februar 2022 in Nature Communications veröffentlichten Artikels, in dem die Entdeckung des zweiten Erdtrojaners vorgestellt wird. Das NEOCC der ESA leistete wichtige Unterstützung bei dieser Forschung.

Was sind Trojaner-Asteroiden?
TSR: Die Trojaner sind Asteroiden, die in Regionen des Weltraums gefangen sind, wo die Anziehungskraft der Sonne und eines der Planeten ausgeglichen ist. Diese Regionen heißen Lagrange-Punkte.

Die Trojaner umkreisen die Sonne auf etwa derselben Bahn wie der Planet und bilden Gruppen in der Nähe der beiden stabilen Lagrange-Punkte: eine vor dem Planeten (L4) und eine dahinter (L5).

Wie viele trojanische Asteroiden gibt es?
TSR: Wir haben fast 10.000 Jupiter-Trojaner identifiziert und insgesamt einige Dutzend bei Venus, Mars, Uranus und Neptun. Aber der erste und bisher einzige Erdtrojaner wurde erst 2011 entdeckt: der 2010 TK7.

Diese zweite Entdeckung, 2020 XL5, bedeutet, dass wir nun insgesamt zwei entdeckt haben. Es gibt jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit noch viele weitere Erdtrojaner, die nur auf ihre Entdeckung warten.

Warum sind Erdtrojaner wichtig?
TSR: Asteroiden sind Zeitkapseln aus den frühesten Tagen unseres Sonnensystems und können uns viel über die Phase der Planetenbildung beibringen.

Erdtrojaner sind besonders interessant, da sie Überbleibsel der Erdentstehung sein könnten. Selbst wenn diese Asteroiden von weit her stammen, könnten sie aufgrund ihrer relativ stabilen Umlaufbahnen um die Lagrange-Punkte der Erde ideale Ziele für eine Raumfahrtmission sein.

Warum haben wir so wenige Erdtrojaner gesichtet?
LF: Geometrie! Die relative Position der Lagrange-Punkte und der Sonne am Himmel sind fix und nicht allzu weit von der Sonne entfernt. Das hat zur Folge, dass die unglaubliche Helligkeit unseres Sterns immer aus einer ähnlichen Richtung wie die der Trojaner kommt und unsere Möglichkeiten zur Entdeckung solch kleiner, dunkler Objekte stark einschränkt.

Wie haben Sie diesen dann gefunden?
TSR: Zum Glück gibt es kleine Zeitfenster kurz vor Sonnenaufgang und kurz nach Sonnenuntergang, in denen einer der Lagrange-Punkte über den Horizont ragt, während die Sonne noch darunter verborgen ist. Diese Zeitfenster sind kurz, lassen keine langen Beobachtungen zu und zwingen die Astronominnen und Astronomen dazu, ihre Teleskope in eine Richtung in der Nähe des Horizonts auszurichten, wo die Sichtbedingungen am schlechtesten sind.

2020 XL5 war ein bekanntes Objekt, das jedoch nicht gründlich untersucht worden war. Unser Team hat mit Teleskopen gearbeitet, mit denen der Asteroid unter diesen schwierigen Bedingungen beobachtet werden konnte. Nach der Auswertung der Daten konnten wir bestätigen, dass es sich in der Tat um den zweiten bekannten Erdtrojaner handelt!

War er schon immer da? Wird er auf ewig da sein?
TSR: 2020 XL5 ist ein „transienter“ trojanischer Asteroid und wird somit nicht für immer ein Erdtrojaner bleiben. Wir erwarten, dass er den Lagrange-Punkt der Erde in etwa 4000 Jahren verlassen wird und möglicherweise wie viele andere Asteroiden auf einer stark elliptischen Umlaufbahn um die Sonne kreisen wird.

Dieser relativ kurze Zeitraum der Stabilität gegenüber dem unglaublichen Alter des Sonnensystems bedeutet wahrscheinlich, dass seine Existenz nicht während der Entstehung der Erde begann, sondern er viele Jahre später von unserem stabilen Lagrange-Punkt abgefangen wurde, als er an uns vorbeizog.

Wie groß ist er? Könnte er eine Bedrohung für die Erde darstellen?
LF: Der neue Erdtrojaner 2020 XL5 ist ca. 1 km groß. Das ist zwar für einen Asteroiden nicht gerade wenig, aber er befindet sich am Lagrange-Punkt etwa so weit von der Erde entfernt wie die Sonne, und seine Umlaufbahn wird ihn für Tausende von Jahren so weit weg halten.

Was ist das NEOCC der ESA?
LF: Das Koordinationszentrum für erdnahe Objekte ist Teil der Abteilung für Planetenverteidigung der ESA. Wir nutzen unser Netzwerk von Teleskopen zum Aufspüren und Untersuchen von erdnahen Objekten (NEOs) und bieten einen zentralen Zugangspunkt zu einem ganzen Netzwerk von anderen Datenquellen zum Thema NEOs.

Wir nutzen diese Daten jeden Tag, um die Umlaufbahnen von NEOs zu untersuchen und die Gefahr dieser NEOs für die Erde einzuschätzen.

Wie hat die ESA diese Forschung unterstützt?
LF: Meine Kollegen Marco Micheli und Luca Conversi haben den Asteroiden 2020 XL5 mit Teleskopen des NEOCC-Netzwerks beobachtet, u. a. auch mit dem Teleskop der optischen Bodenstation der ESA auf Teneriffa.

Sie haben anhand ihrer Beobachtungen die Position des Asteroiden zu verschiedenen Zeiten bestimmt, und meine Kollegin Ramona Cennamo und ich haben dann mithilfe dieser Daten die Umlaufbahn des Asteroiden analysiert. Unsere Ergebnisse haben ergeben, dass es sich um einen instationären Erdtrojaner handelt.

Was kommt als Nächstes?
TSR: Diese Entdeckung spornt uns an, weiter nach neuen Erdtrojanern zu suchen. Die Suche nach einem Trojaner aus Material, das von der Entstehung der Erde übriggeblieben ist, wäre für die Aufklärung vieler Geheimnisse des frühen Sonnensystems unglaublich hilfreich.

Wir führen derzeit in Zusammenarbeit mit dem NEOCC regelmäßige Himmelsbeobachtungen durch. Wir beobachten vor allem Objekte, die eine Gefahr für die Erde darstellen könnten. Doch diese Routinebeobachtungen bergen manchmal auch große Überraschungen.

In den vergangenen Jahren haben wir beispielsweise begonnen, Erkenntnisse über eine neue Gruppe sehr interessanter Objekte zu gewinnen: Asteroiden, die die Sonne innerhalb der Erdumlaufbahn umkreisen, die so genannten „Inner-Earth Objects“ (IEOs). Diese Objekte stehen in Zukunft ganz oben auf unserer Liste, da sie trotz ihrer relativen Nähe zur Erde noch immer Neuland für uns darstellen.

pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-022-27988-4.pdf

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• Planet Erde

Der Beitrag ESA: Ein neu entdeckter Asteroid – der zweite seiner Art erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

15. Oktober 2021 – Am Samstag, dem 16. Oktober 2021, wird um 11.34 Uhr MESZ eine ungewöhnliche NASA-Mission mit einer Atlas-Trägerrakete von Cape Canaveral ins Sonnensystem aufbrechen. Ziel der Mission „Lucy“ sind die Trojaner-Asteroiden, die sich auf der Jupiterbahn befinden. Sie unterscheiden sich vermutlich deutlich von den Planetoiden im Asteroiden-Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter. Asteroiden gelten als Zeitzeugen der Entstehung von Planeten und können Aufschluss über die Entwicklung der Planeten unseres Sonnensystems geben. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der Mission wissenschaftlich beteiligt.

„Lucy“ wird nach einer mehrjährigen Reise zum ersten Mal sogenannte „Trojaner-Asteroiden“ besuchen. Das sind kleine Planetoiden, die ihren Platz im Sonnensystem vor über vier Milliarden Jahren in zwei Regionen auf der Bahn des Jupiter gefunden haben. Im Gegensatz zu den vielen Hunderttausenden Asteroiden im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter wird vermutet, dass es sich bei diesen Körpern in mehr als 700 Millionen Kilometern Entfernung zur Sonne um Asteroiden handelt, die ihren Ursprung jenseits der Jupiterbahn haben. „Das macht diese ‚Zeitkapseln‘ für eine genauere Untersuchung sehr interessant“, freut sich Dr. Stefano Mottola vom DLR-Institut für Planetenforschung auf die Mission, an der er wissenschaftlich beteiligt ist. „Wir erhoffen uns bedeutende neue Kenntnisse über die früheste Zeit des Sonnensystems und die Entstehung der Planeten.“

Allerdings benötigt das 14-köpfige wissenschaftliche Kernteam dafür einiges an Geduld. Denn nach dem Start wird Lucy, die „Wunderbare“ nach einem Wort in einem äthiopischen Dialekt und benannt nach dem „Urmenschen“, einem drei Millionen Jahre alten fossilen Skelett, das 1974 in Äthiopien ausgegraben wurde, auf einer verschlungenen Bahn durch das innere Sonnensystem erst 2027 die Trojaner-Asteroiden auf der Jupiterbahn erreichen. Zuvor wird sie im April 2025 den vier Kilometer großen Hauptgürtel-Asteroiden Donaldjohanson passieren, der den Namen von einem der beiden Entdecker des „Urmenschen“ Lucy trägt.

Die beim Start etwa anderthalb Tonnen schwere Raumsonde führt drei wissenschaftliche Instrumente mit sich, mit denen die Zielasteroiden fotografisch erfasst, sowie ihre chemischen-mineralogische Zusammensetzung und physikalische Parameter mit verschiedenen Spektrometern ermittelt werden.

Lucy ist die 13. Mission der sehr erfolgreichen NASA-Discovery-Klasse, spezialisierten und vergleichsweise kleinen und organisatorisch „schlanken“ Raumsonden. Die wissenschaftliche Leitung liegt bei Hal Levison und Cathy Olkin vom Southwest Research Institute in Boulder im US-Bundesstaat Colorado. Das Goddard Spaceflight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) steuert die Mission.

Das DLR ist mit Dr. Stefano Mottola vom Berliner Institut für Planetenforschung als Mitglied des Wissenschaftsteams von Lucy beteiligt. Mottola wirkte auch maßgeblich an den Missionen Rosetta, Dawn und Hayabusa2/MASCOT mit. „Während der Missionsvorbereitung zu Lucy war mein Schwerpunkt die Untersuchung der Zielkörper mit erdgestützten Teleskopen, um von ihnen Lichtkurven zu erhalten“, erklärt Mottola eine seiner Aufgaben im Team. „Durch diese Beobachtungen können wir die Vorbeiflüge optimieren“. Im Laufe seiner Karriere war Mottola an der teleskopischen Entdeckung von Hunderten von Asteroiden beteiligt. „Außerdem werden wir nach der Ankunft durch Berechnungen von Körperformen, Bildmosaiken, Atlanten und der Kartierung von Helligkeiten und Zusammensetzung die Mission begleiten. Aus den Daten der Navigationskameras wird dann die genaue Gestalt der Asteroiden abgeleitet.“ Ferner wird Dr. Martin Pätzold von der Universität Köln, gefördert von der Raumfahrtagentur im DLR, über die Auswertung des Funkverkehrs (Rot- und Blauverschiebung, also Dehnung und Stauchung der Funkwellen durch den Doppler-Effekt) Masse und Aufbau der Asteroiden untersuchen.

Jupiter, seine „Trojaner“ und die „Hellenen“
Bei den Trojanern handelt es sich um eine besondere Gruppe von Asteroiden, kleine Körper bis zu 250 Kilometer Durchmesser, die in Regionen angesiedelt sind, die auf der Jupiterbahn dem Planeten in einem festen Abstand vorauslaufen beziehungsweise nachfolgen. Es sind die Positionen im Raum eines Zweikörpersystems – wie hier eben Sonne und Jupiter –, an denen sich Anziehungs- und Fliehkräfte die Waage halten. Die insgesamt fünf Punkte, von Lagrange-1 (L1) bis Lagrange-5 (L5), sind nach dem italienisch-französischen Astronomen und Mathematiker Joseph-Louis de Lagrange (1736-1813) benannt.

Zwei dieser Lagrange-Punkte, L4 und L5, sind immer stabil und bilden ein gleichschenkliges Dreieck mit 60-Grad-Winkeln zu Sonne und Jupiter. In der realen Welt befinden sich die Trojaner beziehungsweise Hellenen nicht genau auf diesen beiden Punkten, sondern umkreisen sie in unterschiedlichen Entfernungen, sodass sie quasi eine Wolke von Asteroiden bilden. Heute sind knapp zehntausend dieser Objekte bekannt, es werden aber, wie im Asteroiden-Hauptgürtel, bis zu einer Million von ihnen vermutet. Diese sind aber wegen ihrer dunklen Oberfläche und geringen Größe sehr schwer mit Teleskopen zu entdecken. Die Internationale Astronomische Union (IAU) hat noch eine weitere Anleihe bei der Ilias, der berühmten antiken Sage des Homer, die den Kampf um Troja zum Inhalt hat, genommen: Sie bezeichnete die dem Jupiter vorauslaufenden Asteroiden als Lager der „Hellenen“ mit den Namen der griechischen Helden. Dementsprechend wurden die hinterherlaufenden Asteroiden als „Trojaner“ benannt, mit den Namen der Heroen aus der kleinasiatischen Stadt. Da inzwischen alle in der Ilias auftauchenden Namen an Trojaner-Asteroiden vergeben sind, werden neu entdeckte Körper von der IAU jetzt nach modernen ‚Helden‘ benannt, großen Athleten der Olympischen und Paralympischen Spiele der Neuzeit.

Es ist das erste Mal, dass Körper, die an Lagrange-Punkten entlang einer Planetenbahn um die Sonne kreisen, Besuch von einer Raumsonde bekommen. Jupiter selbst spielt bei der Mission keine Rolle: Er wird in beiden Missionsphasen viele hundert Millionen Kilometer von Lucy entfernt sein. In der Planetenforschung hatten die Trojaner-Asteroiden seit Jahren als neues Ziel höchste Priorität: Die Forscher vermuten, dass diese Trojaner im Gegensatz zu den Hauptgürtel-Asteroiden weniger mit den Körpern des inneren Sonnensystems gemein haben, sondern mehr mit den äußeren Regionen unseres Planetensystems.

Denn mit Jupiter, dem größten Planeten des Sonnensystems, beginnt das Reich der Gasplaneten und ihrer Eismonde. Noch weiter von der Sonne entfernt, jenseits des Neptun, erstreckt sich das Ursprungsgebiet der Kometen, jenen Körpern aus Staub und Eis, die ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems spielten. Es ist die Zone der „transneptunischen Objekte“, zu denen auch Pluto gezählt wird. So wie die Hauptgürtel-Asteroiden Reste der Bildung der vier erdähnlichen Planeten sind, dürften die Jupiter-Trojaner Überbleibsel des Ausgangsmaterials der äußeren Planeten sein, mit Ursprüngen in ganz unterschiedlichen Sonnenentfernungen.

Ins ‚Heerlager‘ der Hellenen, zurück zur Erde – und dann zu den Trojanern
Am Ziel angekommen im Reich der L4-Asteroiden, den ‚Hellenen‘, wird Lucy die Asteroiden Eurybates (August 2027) mit dem erst letztes Jahr vom Lucy-Team entdeckten Mond Queta, Polymele (September 2027), Leucus (April 2028) und Orus (November 2028) aus der Nähe untersuchen. Anschließend wird Lucy wieder zurück ins innere Sonnensystem zur Erde gelenkt – ein Novum in der Geschichte der Raumfahrt. Dort wird die Raumsonde mithilfe eines sogenannten „Gravity-Assist-Manövers“ zum L5-Punkt gelenkt, wo Lucy im ‚Trojanerlager‘ den Asteroiden Patroclus mit seinem binären Begleiter Menoetius erreichen wird. Die nominelle Mission ist dann zu Ende, doch wenn noch Treibstoff und für den Missionsbetrieb notwendige Ressourcen vorhanden sind, könnte die Mission verlängert werden: Lucy würde dann nochmal zur Erde zurückkehren um am Ende des Jahrzehnts erneut in die Asteroidenwolke am L4-Punkt zu fliegen.

Bedeutung der Asteroiden-Forschung
Die Untersuchung der kleinen Körper im Sonnensystem hat in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Asteroiden und Kometen sind in den meisten Fällen fast oder kaum veränderte Zeugen der Planetenentstehung vor etwas mehr als viereinhalb Milliarden Jahren. Je weiter sie von der Sonne entfernt entstanden sind und sich noch heute befinden, um so weniger waren sie dem Einfluss der Sonne ausgesetzt und haben sich deshalb nur wenig verändert. Viereinhalb Milliarden Jahre sind ein nach menschlichen Maßstäben nur schwer vorstellbarer langer Zeitraum, doch ist es der Planetenforschung in der letzten Zeit immer besser gelungen, die Vorgänge in den ersten Millionen Jahren, nachdem sich die Sonne vor 4,567 Milliarden Jahren gebildet hat, zu rekonstruieren. Die Planeten bildeten sich damals verblüffend schnell, in nur wenigen Millionen bis Zehnermillionen Jahren. Diese Zeit war entscheidend für ihre weitere Entwicklung und drückt sich in der Verschiedenartigkeit der Planeten und ihrer Monde aus. Weil sie sich aber seither allesamt stark verändert haben, ermöglichen nur noch Asteroiden und Kometen einen Blick zurück in jene Zeit, um die Vorgänge genau entschlüsseln zu können.

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Lucy auf Atlas V von CC SLC-41

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Raumfahrer.net, Institut für Astronomie der Universität Wien, ArXiv, Wikipedia.

Bei einem Trojaner-Asteroiden handelt es sich um einen Vertreter einer speziellen Klasse von Asteroiden, welche einem Planeten auf dessen Bahn um die Sonne vorauseilen beziehungsweise folgen. Die Trojaner bewegen sich dabei auf der gleichen Umlaufbahn wie ihr jeweiliger Planet, befinden sich dabei aber immer im Bereich der 60 Grad vor beziehungsweise hinter dem Planeten gelegenen Lagrange-Punkte L4 und L5. Diese Lagrange-Punkte, welche auch als Librations-Punkte bezeichnet werden, stellen die nach dem italienischen Astronomen und Mathematiker Joseph-Louis Lagrange benannten Gleichgewichtspunkte des eingeschränkten Dreikörperproblems der Himmelsmechanik dar.

An diesen Punkten heben sich die Gravitationskräfte benachbarter Himmelskörper und die Zentrifugalkraft ihrer Bewegung gegenseitig auf, so dass jeder der drei beteiligten Körper (Sonne, Planet und Asteroid) in seinem Bezugssystem kräftefrei ist und bezüglich der anderen beiden Körper immer denselben Ort einnimmt. Auf diese Weise entstehen an den Lagrange-Punkten Zonen mit einem niedrigen Gravitationspotenzial. Drei der Lagrange-Punkte, nämlich L1, L2 und L3 sind dabei unstabil, so dass bereits leichte gravitative Wechselwirkungen zu einem Entweichen von eventuell dort befindlichen Objekten führen können.

Die Punkte L4 und L5, welche sich 60 Grad vor beziehungsweise hinter dem Planeten befinden, sind dagegen relativ stabil, so dass sich dort kleinere Himmelskörper sammeln und anschließend theoretisch über einen fast unbegrenzt langen Zeitraum aufhalten können. Da die Trojaner-Asteroiden dabei genauso lange für einen Sonnenumlauf benötigen wie der Planet, dem sie folgen beziehungsweise vorauseilen, nähern sie sich diesem nie an und können somit auch nicht mit ihm kollidieren.

Bisher konnten in unserem Sonnensystem lediglich bei vier Planeten solche „Trojaner-Asteroiden“ nachgewiesen werden. Das erste nachgewiesene Objekt dieser Klasse von Kleinkörpern in unserem Sonnensystem war der im Jahr 1906 von dem deutschen Astronomen Max Wolf in Heidelberg entdeckte Asteroid (588) Achilles, welcher die Sonne auf der gleichen Umlaufbahn wie der Jupiter, dem größten Planeten innerhalb unseres Sonnensystems, umrundet. Derzeit sind den Astronomen 5.846 Jupiter-Trojaner bekannt, von denen sich 3.848 am Lagrange-Punkt L4 befinden und dem Riesenplaneten somit vorauslaufen. Weitere 1.998 Trojaner befinden sich dagegen im Bereich des Lagrange-Punktes L5 und folgen dem Jupiter auf dessen Umlaufbahn um die Sonne (Stand vom 6. April 2013).

Seit dem Jahr 1990 gelang zudem der gesicherte Nachweis von bisher drei Mars-Trojanern, von denen sich zwei am Lagrange-Punkt L5 und einer am Lagrange-Punkt L4 befinden. Der äußerste Planet unseres Sonnensystems, der Gasplanet Neptun wird ebenfalls von mehreren kleinen Himmelskörpern begleitet. Seit dem Jahr 2001 konnten auf dessen Umlaufbahn neun Trojaner-Asteroiden nachgewiesen werden. Und seit dem Jahr 2011 ist zudem bekannt, dass auch unser Heimatplanet von mindestens einem Trojaner-Asteroiden begleitet wird (Raumfahrer.net berichtete). Bei den verbleibenden vier Planeten unseres Sonnensystems – Merkur, Venus, Saturn und Uranus – verlief die Suche nach Trojaner-Asteroiden dagegen bis vor Kurzem ergebnislos.

In einer im Jahr 2010 veröffentlichten Publikation stellten die Astronomen Rudolf Dvorak, A. Blazsò (beide von der Universität Wien) und L.-Y. Zhou (Departement of Astronomy der Universität Nanjing/China) ein Modell vor, welches zeigte, dass die auf den Umlaufbahnen der Planeten Saturn und Uranus gelegenen Lagrange-Punkte L4 und L5 überwiegend instabil sind, was das dortige Verbleiben von eventuell vorhandenen Trojaner-Asteroiden über längere Zeiträume hinweg ausschließt. Allerdings, so die Wissenschaftler, existieren demzufolge im Bereich der Umlaufbahn des Uranus sehr wohl einige Nischen, welche die dortige Existenz von Trojaner-Asteroiden über kürzere Zeiträume zulassen.

Diese Vermutung scheint sich jetzt zu bestätigen: In einer demnächst erscheinenden Publikation wird ein aus fünf kanadischen und französischen Astronomen bestehendes Team mit Mike Alexandersen von der University of British Columbia/Kanada als Erstautor von der Entdeckung eines Kleinplaneten namens 2011 QF99 berichten, bei dem es sich anscheinend tatsächlich um den ersten bekannten Trojaner des Uranus handelt. Die Auswertungen von 29 astrometrischen Messungen ergaben, dass sich der Asteroid in einer 1:1-Resonanz mit dem Planeten Uranus befindet.

Der Asteroid 2011 QF99 verfügt bei der Zugrundelegung einer Albedo von fünf Prozent über einen Durchmesser von etwa 60 Kilometern. Die Berechnungen der Astronomen ergaben, dass der Asteroid den Uranus allerdings erst seit wenigen Dutzend Millionen Jahren begleiten kann. Seine vorherige Umlaufbahn um die Sonne befand sich zwischen den Orbitbahnen der Planeten Jupiter und Neptun, was ihn zu einem sogenannten Zentauren machte. Dabei gelangte er vor in kosmischen Maßstäben betrachtet erst kurzer Zeit in den Einflussbereich des Uranus und wurde schließlich an dessen L4-Punkt „gefangen“. Der dortige Aufenthalt wird jedoch nur von relativ kurzer Dauer sein. Bereits in wenigen hunderttausend Jahren wird 2011 QF99 den Einflussbereich des L4-Punktes wieder verlassen und die Sonne anschließend erneut als Centaur-Asteroid umkreisen.

Die hier kurz vorgestellte Entdeckung gelang den beteiligten Astronomen in den Jahren 2011 und 2012 unter Verwendung des auf Hawaii befindlichen Canada-France-Hawaii Telescope (kurz „CFHT“). Das eigentliche Ziel der Astronomen bestand dabei in der Suche und Erforschung von bisher noch nicht bekannten Asteroiden, deren Umlaufbahnen sich jenseits der Umlaufbahn des Jupiters befinden. Durch diese Arbeit konnte jetzt auch nachgewiesen werden, dass auch der Uranus gegenwärtig von mindestens einem Trojaner begleitet wird.

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• Planet Uranus
• Asteroidengürtel
• Trojanischer Asteroid in Erdbahn entdeckt

Fachartikel von Mike Alexandersen et al.:

• The first known Uranian Trojan and the frequenzy of temporary giant-planet co-orbitals (engl.)

Der Beitrag Erster Uranus-Trojaner entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Johannes Amann. Quelle: NASA.

Als Trojaner bezeichnet man Objekte, die einem Planeten auf dessen Bahn vorrauslaufen oder nachfolgen. Trojaner halten sich ungefähr 60° vor oder hinter dem Planeten auf, an den sogenannten Lagrange-Punkten L4 und L5, wo sich die Anziehung von Planet und Sonne aufheben und somit ein ziemlich stabiler Orbit um diese Punkte möglich ist.

Bei Jupiter wurden schon über 4.000 Trojaner entdeckt, ebenso konnte man bei Neptun und Mars einige Begleiter finden. Zwar ging man lange Zeit davon aus, dass die Erde auch Trojaner-Asteroiden besitzen müsse, nachweisen konnte man bis jetzt allerdings keine. Das ist mitunter der Tatsache geschuldet, dass die L4- und L5-Punkte der Erde schlecht beobachtbar sind, da diese aus unserem Blickwinkel immer verhältnismäßig nahe an der Sonne stehen und man so kaum eine Möglichkeit hat, die lichtschwachen Objekte aufzuspüren.

Da der entdeckte Trojaner aber eine um fast 21° gegenüber der Ekliptik geneigte Bahn hat, entfernt er sich etwas weiter von der Sonne und gab dem Infrarotteleskop WISE so die Gelegenheit ihn zu entdecken. Entdeckt wurde das Objekt zwar schon im Oktober 2010, da es aber so schwer zu beobachten ist, konnte erst im April mithilfe des Canada-France-Hawaii-Teleskops bestätigt werden, dass es sich um einen Trojaner handelt.

Auch wenn sich 2010 TK7 am L4-Punkt aufhält, ist der Asteroid kein potentielles Ziel für zukünftige bemannte Missionen. Durch seine gegenüber der Erdbahn gekippte Umlaufbahn pendelt der Asteroid ober- und unterhalb der Erdbahn und ist somit nur mit hohem Treibstoffeinsatz erreichbar.

Raumcon-Forum:

• Trojanischer Asteroid in Erdbahn entdeckt

Der Beitrag Erster Erd-Trojaner entdeckt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: DLF – Forschung aktuell, Raumfahrer.net, Bild der Wissenschaft, Raumcon.

Vom größten Planeten unseres Sonnensystems sowie mehreren Saturnmonden kennt man dies schon: auf derselben Bahn fliegen kleinere Himmelskörper voraus bzw. folgen, die sogenannten Trojaner. Dabei handelt es sich um Kleinkörper, welche die Lagrangepunkte L₄ und L₅ eines Planeten oder Mondes umlaufen, auf denen sich Anziehungskräfte von Sonne, Planet und Mond sowie die Fliehkräfte aufheben und damit eine stabile Bahn ermöglichen. Bekannteste Vetreter sind (588) Achilles und (624) Hektor.

Offenbar gibt es solche Begleiter aber auch außerhalb unseres Sonnensystems. In den Beobachtungsdaten der ersten 4 Monate des NASA-Teleskops Kepler wurde beim Stern KOI-730 ein Planetenpaar entdeckt, dass sich offenbar dieselbe Bahn teilt. Es gibt immer wieder geringfügige Sternverdunklungen in regelmäßigen Abstand aber unterschiedlicher Stärke, wenn einer der beiden Planeten von uns aus gesehen vor dem Stern vorbeizieht. Man vermutet nun, dass sich ein kleiner Planet in einem der Lagrangepunkte des größeren befindet. Verbindet man den Stern mit beiden Planetenpositionen durch Strahlen, so nehmen die Schenkel einen Winkel von 60 Grad ein, ganz so, wie es sich für Trojaner gehört.

Das Weltraumteleskop Kepler umläuft die Sonne seit dem 6. März 2009 in einem der Erde folgenden Orbit. Dabei ist es stets auf eine eher leer erscheinende Region des Universums in den Sternbildern Leier und Schwan ausgerichtet. Das einfallende Licht wird über einen 1,4 Meter durchmessenden Hauptspiegel gebündelt und auf 21 CCD-Detektoren mit insgesamt 95 Megapixeln gelenkt. Über kurzzeitige aber periodische Helligkeitsschwankungen der Sterne lassen sich Planetentransits vor dem jeweiligen Stern vermuten und anschließend von der Erde aus bestätigen oder widerlegen. Derzeit gibt es 15 bestätigte Exoplaneten, die aus Daten von Kepler entdeckt wurden. Hinzu kommen 1.220 weitere, recht sichere Kandidaten, von denen 68 etwa so groß sind wie die Erde und 54 in der sogenannten Hablitablen Zone ihren Stern umlaufen, davon 5 mit Erdgröße.

Inzwischen haben Astronomen vom Ames Research Center der NASA die insgesamt vier Planetenkandidaten des Systems weiter untersucht und festgestellt, dass die Bahnen der weiter außen umlaufenden Planeten immer ein genaues Vielfaches der Umlaufzeit der inneren Bahn besitzen. Man spricht hier auch von Resonanz.

Nun vermuten Wissenschaftler vom Armagh-Observatorium in Nordirland anhand von Computersimulationen, dass der 2010 entdeckte Asteroid 2010 S016 dieselbe Umlaufbahn wie die Erde hat und diese offenbar sehr stabil ist, wahrscheinlich seit Jahrmillionen. Der nur etwa 300 Meter durchmessende Gesteinsbrocken verweilt allerdings nicht in einem Lagrangepunkt. Stattdessen nähert er sich der Erde mal von vorn, mal von hinten und wird dabei durch die Anziehungskraft unseres Planeten beeinflusst.

Ist er langsamer als die Erde, weil er sich auf einer geringfügig höheren Bahn befindet, wird er in Erdnähe durch die Gravitation unseres Planeten abgebremst. Dabei gelangt er auf eine der Sonne gegenüber tiefere Bahn, auf der er, wegen deren Anziehung, schneller wird. Damit entfernt er sich von der Erde, fliegt ihr zunächst voraus und hat sie aber nach etwa 175 Jahren von hinten beinahe überrundet. Hier allerdings wird er von der Gravitation der Erde beschleunigt und gelangt dadurch gegenüber der Sonne auf eine höhere Bahn, womit er wieder langsamer wird.

Es klingt scheinbar widersprüchlich, ist aber korrekte Bahnmechanik. Ein Satellit auf einer höheren Bahn ist tatsächlich langsamer. Nun fällt er gegenüber der Erde auf der gemeinsamen Bahn zurück und wird von unserem Heimatplaneten nach etwa 175 Jahren erneut fast eingeholt. Das Wechselspiel beginnt von vorn.

Leider ist 2010 S016 selbst in relativer Erdnähe wie jetzt zu klein, um mit normalen Amateurteleskopen sichtbar zu sein. Im Augenblick befindet er sich fast an seinem erdnächsten Punkt, der aber rund 20 Millionen Kilometer von uns entfernt ist.

Raumcon:

• Erdnahe Asteroiden (NEOs) ab 9. April 2011

Der Beitrag Kosmische Einzelverfolgung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Carnegie Institution for Science, Subaru-Teleskop, Minor Planet Center, Wikipedia. Vertont von Peter Rittinger.

Bei den Trojaner-Asteroiden handelt es sich um Asteroiden, welche einem Planeten auf dessen Bahn um die Sonne vorauseilen beziehungsweise folgen. Die Trojaner kreisen dabei um die 60 Grad vor beziehungsweise hinter dem Planeten gelegenen Lagrange-Punkte L4 und L5. Die Lagrange-Punkte, auch Librations-Punkte genannt, sind die nach dem italienischen Astronomen und Mathematiker Joseph-Louis Lagrange benannten Gleichgewichtspunkte des eingeschränkten Dreikörperproblems der Himmelsmechanik.

An diesen Punkten im Weltraum heben sich die Gravitationskräfte benachbarter Himmelskörper und die Zentrifugalkraft der Bewegung gegenseitig auf, so dass jeder der drei Körper (Sonne, Planet und Asteroid) in seinem Bezugssystem kräftefrei ist und bezüglich der anderen beiden Körper immer denselben Ort einnimmt. Auf diese Weise entstehen an den Lagrange-Punkten Zonen mit einem niedrigen Gravitationspotenzial. Drei der Lagrange-Punkte, nämlich L1, L2 und L3 sind dabei relativ unstabil, so dass bereits leichte gravitative Wechselwirkungen zu einem Entweichen von eventuell dort befindlichen Objekten führen können.

Die Punkte L4 und L5, welche sich 60 Grad vor beziehungsweise hinter dem Planeten befinden, sind dagegen stabil, so dass sich dort kleinere Himmelskörper sammeln und über einen unbegrenzt langen Zeitraum aufhalten können. Da die Trojaner-Asteroiden dabei genauso lange für einen Sonnenumlauf benötigen wie der Planet, dem sie folgen beziehungsweise vorauseilen, nähern sie sich diesem nie an und können daher auch nicht mit ihm kollidieren.

Bisher konnten in unserem Sonnensystem lediglich bei drei Planeten Trojaner-Asteroiden nachgewiesen werden. Das erste nachgewiesene Objekt dieser Klasse von Kleinkörpern in unserem Sonnensystem war der im Jahr 1906 von dem deutschen Astronomen Max Wolf in Heidelberg entdeckte Asteroid (588) Achilles, welcher die Sonne auf der Umlaufbahn des Jupiters umrundet. Derzeit sind den Astronomen 4.076 Jupiter-Trojaner bekannt, von denen sich 2.603 am Lagrange-Punkt L4 befinden und dem Riesenplaneten vorauslaufen. Weitere 1.473 Trojaner befinden sich am Lagrange-Punkt L5 und folgen dem Jupiter auf dessen Umlaufbahn um die Sonne (Stand vom Februar 2010).

Seit dem Jahr 1990 gelang der Nachweis von bisher vier Mars-Trojanern, wobei sich drei am Lagrange-Punkt L5 und einer am Lagrange-Punkt L4 befinden. Und auch der äußerste Planet unseres Sonnensystems, der Gasplanet Neptun wird von mehreren kleinen Himmelskörpern begleitet. Seit dem Jahr 2001 konnten auf dessen Umlaufbahn sechs Trojaner-Asteroiden nachgewiesen werden, welche sich alle am Lagrange-Punkt L4 aufhalten. Am Lagrange-Punkt L5 konnten dagegen keine Begleiter nachgewiesen werden. Auf der Suche nach nachlaufenden Neptun-Trojanern durchmusterten die Astronomen Scott S. Sheppard von der Carnegie Institution of Science in Washington/USA und Chadwick A. Trujillo vom Gemini-Observatorium auf Hawaii im Jahr 2008 den Himmelsbereich um den Lagrange-Punkt L5 des Neptun.

Dabei mussten die beiden Wissenschaftler, welche bereits drei der bisher bekannten Neptun-Trojaner entdeckt hatten, eine besondere Herausforderung bewältigen, denn gegenwärtig befindet sich dieser Punkt von der Erde aus betrachtet unmittelbar vor dem Zentrum unseres Milchstraßensystems mit Millionen von Hintergrundsternen. Mit diesen unzähligen Lichtpunkten im Sichtfeld der Teleskope ist es überaus schwierig, einen lichtschwachen Asteroiden auszumachen, welcher sich nur äußerst langsam gegenüber dem Sternenhintergrund bewegt. Die beiden Astronomen griffen daher bei ihren Beobachtungen zu einem Trick.

Für ihre Suche wählten die Astronomen mehrere Himmelsregionen im Bereich um den Lagrange-Punkt L5 aus, wo sich zwischen dem Zentrum unserer Heimatgalaxie und unserem Sonnensystem dichte Staubwolken befinden und so im sichtbaren Licht die meisten Hintergrundsterne ausblenden. In diesen Bereichen des Himmels begannen sie dann mit dem japanischen 8,2-Meter-Subaru-Teleskop auf dem Mauna Kea/Hawaii die Suche nach Neptun-Trojanern und wurden schließlich auch fündig. Die Entdeckung des neuen Trojaners, welcher mit der Bezeichnung 2008 LC18 versehen wurde, konnte anschließend durch weitere Beobachtungen mit den 6,5-Meter-Magellan-Teleskopen in Chile bestätigt werden.

„Wir schätzen, dass der neu entdeckte Neptun-Trojaner über einen Durchmesser von rund 100 Kilometern verfügt und dass sich etwa 150 weitere Trojaner mit einer vergleichbaren Größe am L5-Punkt befinden“, so Scott S. Sheppard. „Dies entspricht auch den Schätzungen bezüglich der Anzahl und Größe der Objekte auf dem Lagrange-Punkt L4. Somit wären die Neptun-Trojaner der 100-Kilometer-Klasse zahlreicher vertreten als vergleichbar große Objekte im Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.“

Dass bis zum jetzigen Zeitpunkt insgesamt lediglich sieben Neptun-Trojaner nachgewiesen werden konnten, so Scott S. Sheppard weiter, liegt in der großen Entfernung von 30 Astronomischen Einheiten – dies entspricht rund 4,5 Milliarden Kilometern – der geringen Größe der Objekte und der daraus resultierenden geringen Helligkeit der Trojaner begründet, wodurch diese lediglich mit den größten Teleskopen sichtbar werden.

Die Untersuchungen von Sheppard und Trujillo legen nahe, dass die Neptun-Trojaner in einer sehr frühen Phase unseres Sonnensystems an den beiden Lagrange-Punkten eingefangen wurden, als Neptun die Sonne noch auf einem Orbit umlief, welcher sich von dem jetzigen grundsätzlich unterscheidet. Eventuell war dabei ein langsamer und stetig ablaufender Migration-Prozess des Gasplaneten für die Ansammlung der Trojaner verantwortlich. In seiner Entstehungsphase stellte das Sonnensystem einen chaotischen Ort dar, wo sich Planeten und Planetesimale vielfach auf ungewöhnlichen Bahnen bewegten.

Erst mit der Zeit erreichten die Planeten ihre gegenwärtigen Umlaufbahnen um die Sonne. Die Untersuchung der verschiedenen Planeten-Trojaner und die Analyse von deren Umlaufbahnen hilft den Astronomen zu verstehen, wie sich unser Sonnensystem mit seinem Planeten einst gebildet hat und wie die Planeten ihre jetzigen Umlaufbahnen erreichten. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich auch Rückschlüsse auf die Bildung von extrasolaren Planetensystemen ziehen.

Die Arbeit der beiden Astronomen wurde am 13. August 2010 in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Fachzeitschrift Science:

• Abstract der Originalveröffentlichung (engl.)

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Ein Beitrag von Michael Stein.

Einleitung

Vergleicht man das Saturn- mit dem Jupitersystem, so fallen viele Gemeinsamkeiten auf. Ähnlich wie Jupiter verfügt auch Saturn über einige wenige große Monde (die allerdings bis auf Titan deutlich kleiner als die so genannten Galileischen Monde des Jupiter sind), während die meisten der bis heute 60 entdeckten natürlichen Satelliten Durchmesser von maximal 200 Kilometer aufweisen und oft nur größere Gesteinsbrocken sind, die teilweise auf extrem irregulären Bahnen um den Planeten kreisen.

Einen enormen Erkenntnisschub über das Satellitensystem von Saturn brachten die Pioneer- und beiden Voyager-Sonden, die Anfang der 1980er Jahre an dem Planeten vorbeiflogen und dabei auch die Monde beobachteten. Die Aufnahmen der Raumsonden brachten aber nicht nur neue Erkenntnisse über die bereits bekannten Monde, sondern führten auch zur Entdeckung einiger neuer Saturnmonde.

Die in den letzten Jahren neu entdeckten Satelliten – auch hier wieder eine Gemeinsamkeit mit dem Jupitersystem – messen nur wenige Kilometer im Durchmesser und sind wahrscheinlich von der Schwerkraft des Saturn eingefangene Kleinstmeteoriten. Mit zunehmend leistungsfähigeren Teleskopen und der im Sommer 2004 erfolgten Ankunft der Raumsonde Cassini beim Saturn ist zu erwarten, dass sich die Anzahl der entdeckten Satelliten in Zukunft noch weiter erhöhen wird. (Bereits wenige Wochen nach Einschwenken in einen Saturn-Orbit konnte Cassini die ersten beiden neuen Monde entdecken).

Einteilung der Satelliten

Wie immer gibt es verschiedene Kriterien, nach denen man das Mondsystem von Saturn strukturieren kann. Zum einen bietet sich natürlich die Größe der Monde für dieses Vorhaben an. Titan ist mit einem Durchmesser von 5.150 Kilometer mit Abstand der größte Mond des Saturn (und gleichzeitig nach dem Jupitermond Ganymed auch der zweitgrößte Mond des Sonnensystems – er ist sogar größer als die Planeten Merkur und Pluto), gefolgt von vier schon nicht mehr ganz so großen Monden mit Durchmessern zwischen 1.060 und 1.530 Kilometer. Dann gibt es nur noch fünf Monde, deren Durchmesser sich im Bereich zwischen knapp 200 bis zu 500 Kilometer bewegen, alle anderen bekannten natürlichen Satelliten weisen nur noch zwischen wenigen zehn bis zu gut 100 Kilometer Durchmesser auf.

Mehrere kleine Monde bewegen sich innerhalb des Ringsystems um den Planeten (und begrenzen teilweise sogar als so genannte „Hirtenmonde“ die Ausdehnung der Ringe durch ihre Schwerkraftwirkung), während viele der in den letzten Jahren neu entdeckten Monde in einer Entfernung von mehr als 15 Millionen Kilometer um Saturn kreisen.

Mindestens sechs Monde bestehen überwiegend aus gefrorenem Eis (und weisen konsequenterweise auch nur eine durchschnittliche Dichte von knapp über 1 g/cm³ auf) und werden manchmal deswegen auch unter der Bezeichnung „Die Eiswelten“ zusammengefasst. Doch auch die übrigen Monde, deren Dichte bekannt ist, weisen allesamt Werte von unter 2 g/cm³ auf, bestehen also mindestens zur Hälfte aus Eis und einem entsprechend geringeren Anteil massiven Gesteins.

Besonderheiten der Saturnmonde

Grundsätzlich ist das Mondsystem des Saturn sehr regelmäßig strukturiert (wenn man von den kleinen, Millionen Kilometer vom Saturn entfernten Miniaturmonden absieht, die erst in den letzten Jahren entdeckt worden sind). Bis auf Iapetus und Phoebe kreisen alle Monde auf annähernd zirkulären Umlaufbahnen in der Äquatorialebene des Saturn um den Planeten, und nur Phoebe dreht dabei entgegen der Rotationsrichtung von Saturn seine Kreise (retrograde Rotation). Ein anderer „Ausreißer“ ist der kleine Mond Hyperion, dessen Umlaufbahn stark exzentrisch ist und der sich durch eine ständig ändernde Rotationsdauer auszeichnet – wahrscheinlich verursacht durch die sehr unregelmäßige Form des Mondes, die der Gravitationskraft von Saturn entsprechend unterschiedliche Angriffspunkte bietet.

Interessant sind auch die schon erwähnten Hirtenmonde, die durch ihre Gravitationskraft die Ausdehnung verschiedener Teilringe des Saturn begrenzen. Prometheus und Pandora sind von den Wissenschaftlern mittlerweile als innerer und äußerer „Hirte“ des F-Rings identifiziert, und Atlas steht im Verdacht, äußerer Hirte des A-Rings zu sein. Für verschiedene Strukturmerkmale des Ringsystems von Saturn machen einige Wissenschaftler noch unentdeckte weitere Hirtenmonde verantwortlich.

Ein weiteres außergewöhnliches Element des Saturn-Systems sind die so genannten Trojaner. Dabei handelt es sich um Monde, die auf dem selben Orbit um den Planeten kreisen, wobei sie einander üblicherweise im Winkelabstand von 60° folgen. Bei den Tethys-Trojanern handelt es sich um zwei Monde, die im Winkelabstand von 60° vor (Telesto) und hinter (Calypso) dem Saturn-Mond Tethys auf einem gemeinsamen Orbit um den Planeten kreisen. Der Mond Helene wird auch als Dione-Trojaner bezeichnet, da er im selben Winkelabstand vor Dione seine Bahnen zieht.

Ähnlich und doch ganz anders verhält es sich mit den beiden kleinen Monden Janus und Epimetheus, die bis auf 50 Kilometer im gleichen Abstand um Saturn kreisen. Ungefähr alle vier Jahre überholt der eine den anderen, und bei dieser Gelegenheit wechseln die beiden Monde dann auch gleich die Umlaufbahn: aus dem inneren wird der äußere der beiden Monde und umgekehrt!

Dann gibt es mehrere Mond-Paare (Mimas-Tethys, Enceladus-Dione und Titan-Hyperion), die zwar nicht auf derselben Umlaufbahn kreisen, sich aber durch konstante Verhältnisse ihrer Umlaufzeiten um den Saturn auszeichnen. Aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Gravitationskräfte beträgt die Umlaufzeit von Mimas genau die Hälfte der von Tethys (man spricht hier von einer 1:2-Resonanz), Enceladus und Dione stehen ebenfalls in einer 1:2-Resonanz und Titan und Hyperion in einer 3:4-Resonanz zueinander.

Doch damit ist die Liste der erwähnenswerten Eigenheiten der Saturn-Monde immer noch nicht vollständig. Interessant ist da beispielsweise noch der Eismond Mimas, der durch einen im Vergleich zur Größe des Mondes extrem großen Krater geziert wird, oder der Eismond Enceladus, dessen Albedo fast 100 Prozent beträgt – beinahe das gesamte einfallende Licht wird von seiner eisigen Oberfläche in den Weltraum zurückgestrahlt! Auffällig ist auch, dass einige Monde wie beispielsweise Iapetus, die ständig dieselbe Seite dem Saturn zuwenden, auf der in „Flugrichtung“ liegenden Seite deutlich dunkler bzw. heller als auf der im „Windschatten“ liegenden Mondseite sind.
Titan

Größer als Merkur und Pluto ist dieser Saturnmond ein außergewöhnlich interessanter Himmelskörper, auf dem am 14. Januar 2005 als erste Raumsonde der europäische Lander Huygens niederging und Aufnahmen sowie Messdaten von der Atmosphäre und von der Oberfläche zur Erde sandte. Außer durch seine schiere Größe zeichnet sich Titan auch durch das Vorhandensein einer Atmosphäre aus, deren Atmosphärendruck in Bodennähe mit rund 1,6 Bar deutlich höher als auf der Erde ist. Die Atmosphäre besteht im wesentlichen aus einem Mix von Stickstoff und verschiedenen kohlenwasserstoffhaltigen Elementen, die der dichten Atmosphäre ihr orangefarbenes Aussehen verleihen. Eben diese atmosphärische Zusammensetzung ist es, die verschiedenste Wissenschaftler elektrisiert, da kohlenwasserstoffhaltige Moleküle die Bausteine der Aminosäuren sind – Grundbestandteile aller Lebensformen auf der Erde.

Verschiedene Wissenschaftler nehmen an, dass die irdische Atmosphäre vor dem Aufkommen sauerstofferzeugender Pflanzen eine ähnliche Zusammensetzung wie die des Titan aufwies, was auch das große wissenschaftliche Interesse an diesem Saturnmond erklärt.

Bei aller eventuellen Gemeinsamkeit mit der frühen Erde gibt es natürlich einen gravierenden Unterschied, denn die Oberflächentemperatur des Mondes liegt bisherigen Messungen zufolge bei nur etwa -180° C. Auf der Oberfläche vermuten Wissenschaftler Elemente wie Ethan, Acethylen, Ethylen und hydrogenes Cyanid, was ebenfalls ein wichtiger Baustein von Aminosäuren ist.

Über die Struktur der Titanoberfläche war bis zur Landung von Huygens nur wenig bekannt, da die dichte Atmosphäre einen direkten Blick darauf verwehrt. Die Bilder, die uns dieser Titan-Lander von der Mondoberfläche des Planeten übermittelte, wirkten dann erstaunlich vertraut und ähnelten Aufnahmen von der Marsoberfläche. Auch die eisige Oberfläche des Saturn-Mondes wird offensichtlich durch geologische Prozesse ähnlich wie auf der Erde – so beispielsweise durch Erosion und Abtragungen – ständig verändert. Verschieden von Huygens registrierte Oberflächenstrukturen weisen auf flüssige Elemente hin, allerdings handelt es sich dabei nicht um Wasser, sondern um Methan, das bei den herrschenden Temperaturen von unter -170° C flüssig ist. Auf Oberflächenaufnahmen des Landers waren zudem mehrere Brocken zu erkennen, die allerdings wahrscheinlich nicht aus Felsgestein, sondern aus gefrorenem und mit verschiedenen Verunreinigungen durchsetztem Wasser bestehen. Neben der Landung von Huygens wird der mit einem Radar ausgestattete Orbiter Cassini bis zu 30 Mal bei Vorbeiflügen an Titan die Mondoberfläche untersuchen.

Verwandte Webseiten:

• Solar System Exploration: Saturn (englisch)
• Solarviews.com (englisch/deutsch)

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