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Saturns Geschwister - Neues aus dem Reich der Ringplaneten
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Im Orbit um einen der hellsten Sterne des Himmels haben Astronomen nun einen saturngroßen Planeten entdeckt. Ist er eine von Ringen umgebene Welt, ähnlich den Gasriesen unseres eigenen Sonnensystems? Auch »bei uns« gibt es neue Funde. Monde in den Saturnringen verhalten sich chaotisch - sie sind die ersten Himmelskörper, deren Bahnen nicht vorausberechnet werden können.


Der wahre Herr der Ringe

Im Oktober entdeckten Astronomen mit der Spezialkamera SCUBA am James-Clerk-Maxwell-Teleskop einen neuen, saturngroßen Planeten um einen der hellsten Sterne des Himmels. Mit der 15 Meter großen Radioantenne, der größten zur Beobachtung von Wellen unter einem Millimeter Länge, peilte das Team den Stern Fomalhaut im Sternbild Südlicher Fisch an.

Fomalhaut steht an siebzehnter Stelle der stellaren Rangfolge, wenn es um die scheinbare Helligkeit geht. Wie die meisten auffallenden Sonnen ist auch er nicht weit von der Erde entfernt: Uns trennen nur etwa 23 Lichtjahre von ihm. Die neuen Daten zeigen, dass die Umgebung des Sternes unserem Sonnensystem stark ähnelt, als es gerade einmal 200 Millionen Jahre alt war.

Heute finden Weltraumforscher saturnähnliche Planeten um fremde Sonnen. Bis vor kurzem undenkbar. Vor 450 Jahren wusste niemand eine Erklärung für das seltsame Aussehen des Saturn. Die ersten Teleskopbeobachter wunderten sich, was denn da nur für merkwürdige Auswüchse links und rechts der Kugel wegstanden! Der Planet schien »Henkel« zu besitzen. Galileo Galilei schrieb ziemlich verdutzt an seinen Kollegen Johannes Kepler: »Ich habe den obersten Planeten dreifach gesehen«. Und der berühmte Italiener hatte nicht etwa zu tief ins Glas geblickt, außer vielleicht in sein astronomisches Fernglas. Saturn barg tatsächlich ein Rätsel.

Es wurde erst 1656 von dem Holländer Christiaan Huygens gelöst. Drei Jahre später verkündete er öffentlich, dass Saturn von einem dünnen Ring umgeben ist. Das erklärte auch, warum dieses Gebilde regelmäßig zu verschwinden scheint. Jedesmal, wenn wir auf die sehr schmale Kante blicken, scheint es sich in Nichts aufzulösen.


Die Teleskope wurden besser und die Beobachtungen genauer. Sie zeigten, dass es mehrere Ringe gibt. Der italienische Astronom Giovanni Domenico Cassini stieß 1675 auf die erste dunkle und feine Teilungslinie, die das Gebilde in einen äußeren A- und einen inneren B-Ring aufspaltet. In der schmalen Zone dazwischen - sie ist nur etwas breiter als der Durchmesser des Erdmondes - befindet sich kaum Materie. Im gravitativen Spannungsfeld zwischen Planet und Monden kann sich hier kaum etwas auf einer Bahn halten. Bekannt wurde der Spalt als die Cassini-Teilung.
1850 kam die Entdeckung eines weiteren, durchscheinenden Ringes hinzu, des sich nach innen anschließenden C-Ringes. Fast an die Wolkenschichten heran reicht der erst 1969 fotografierte D-Ring. Er setzt sich durch die so genannte französische oder Guerin-Teilung von Ring C ab.

Weitere Entdeckungen folgten mit Hilfe der Pionier- und Voyager-Raumsonden vor Ort. Damit standen die Astronomen aber schon wieder vor neuen Rätseln. Denn die Saturnringe sind viel komplizierter gebaut als dies irgendjemand in seinen kühnsten Träumen vermutet hätte. Die ursprünglichen Ringe erwiesen sich als riesige Ringgruppen, bestehend aus tausenden von Einzelringen. Voyager-Aufnahmen zeigen zudem mysteriöse Strukturen, die wie Speichen eines Rades wirken.

Unberechenbare »Schäferhunde«

Die Speichen im Saturnring verlaufen über einige tausend Kilometer radial nach außen und bleiben während mehrerer Umdrehungen erhalten, bis sich wieder neue bilden. Normalerweise müssten sie sich viel früher auflösen. Da nämlich der Saturnring kein festes Gebilde ist, sondern aus zahllosen Materiebrocken und -bröseln besteht, bewegen sich die äußeren Bereiche langsamer als die inneren - ganz im Sinne der Kepler-Gesetze, nach denen auch die Planeten um die Sonne kreisen. Was aber hält die Speichen stabil?
Die Saturnringe sind eine Welt für sich. In ihnen ereignen sich sogar kosmische Unwetter! In den Regionen des B-Ringes kommt es zu elektrischen Entladungen, dort zucken Blitze hin und her. Sie laden winzige Teilchen auf, die dann vom Magnetfeld über die Ebene der Ringe getragen werden. Ganz offenbar ist es also der planetare Feldgürtel, der die Speichen so lange am Leben erhält. Dass sie aus winzigen Teilchen bestehen müssen, ergibt sich aus einer kuriosen Beobachtung. Wenn sie das Sonnenlicht vorwärts streuen, erscheinen sie hell, streuen sie es rückwärts, dann wirken sie dunkel. Diesen Effekt können sie nur bewirken, wenn sie extrem klein sind, Körnchen von weniger als einen Millimeter Durchmesser.

Die größten Blöcke kreisen in den A- und B-Ringgruppen. Sie erreichen nach gegenwärtigen Schätzungen Ausmaße bis zu zehn Meter. Das Gebilde an sich, das den Saturn als sehr ästhetische »Bauchbinde« umgürtet, ist bei fast 280.000 Kilometern Durchmesser nicht einmal einen halben Kilometer dick.
Was dort so umher kreist, ähnelt im Grunde kleinen Kometenkernen. Die Teilchen bestehen wohl vorwiegend aus Staub und Eis, darunter nicht nur Wassereis, sondern auch die für Gaswelten typischen Komponenten Ammoniak und Methan in jeweils gefrorener Form. Voyager fand innerhalb des saturnianischen Ringsystems auch winzige neue Monde. Einige von ihnen gehen einer ungewöhnlichen Tätigkeit nach: Sie fungieren als Hirten-, Schäfer- oder Schäferhundsatelliten. Was sie hüten, sind Ringpartikel.

Deshalb ist auch der knapp außerhalb von »A« gelegene F-Ring nur ein ganz schmales Band, Die beiden kleinen, unregelmäßig geformten Trabanten Prometheus und Pandora sind nur etwa 140 beziehungsweise 110 Kilometer groß, beeinflussen aber die Teilchen des Ringes deutlich. Die beiden Monde bewegen sich auf sehr ähnlichen Bahnen, Pandora innerhalb des F-Ringes und Prometheus außerhalb davon. Pandora zieht die Partikeln nach innen, Prometheus nach außen, und so engt sich das ganze Band ein.
Als die Voyager-Sonden 1980 und 1981 an Saturn vorbeiflogen und die Monde entdeckten, versuchten die Astrophysiker deren Bahnen vorauszuberechnen. Neue Beobachtungen zeigen aber nun, dass die beiden Objekte sich an ganz anderen Orten befinden, 160.000 Kilometer vom kalkulierten Punkt entfernt. Doch genau das freut jetzt kurioserweise drei Nasa-Forscher.

Saturn ist kein Einzelfall

Schon vor zwanzig Jahren sagten Peter Goldreich und Scott Tremaine vom kalifornischen Technologie-Institut voraus, dass Prometheus und Pandora sich gegenseitig beeinflussen und ein chaotisches, unvorausberechenbares Bahnverhalten zeigen werden. Auch die Forscherin Nicole Rappaport vom Nasa-Labor für Strahlantriebe war dieser Ansicht und stellt heute fest: »Chaotische gravitative Wechselwirkungen zwischen ihnen können die Abweichungen komplett erklären.« Bereits winzige, kaum wahrnehmbare Unterschiede in den Ausgangsbedingungen führen bei chaotischen Systemen zu gewaltigen späteren Diskrepanzen, die sich nicht kalkulieren lassen. Die Vorhersage von Goldreich, Tremaine und Rappaport jedenfalls hat sich vollauf bestätigt - nämlich, dass sich einfach nichts vorhersagen lässt! »Das ist, als ob ein Traum wahr geworden ist«, so sagt Goldreich. Immerhin gelang hier der Nachweis von chaotischem Bahnverhalten, ähnlich wie auch bei den Taumelbewegungen des unregelmäßigen Saturnmondes Hyperion, der chaotisch rotiert.

Noch viele Phänomene des Saturnringes und planetarer Ringwelten harren einer Aufklärung, allein die Form des F-Ringes, der seinerseits aus mehreren Einzelringen besteht, bleibt ein Rätsel. Und wie ist das Ringsystem überhaupt entstanden? Kam irgendwann in der ersten Zeit unserer solaren Heimat ein Himmelskörper dem Saturn zu nahe und wurde von seinen Gezeiten zerrissen? Die unzähligen Trümmer hätten sich dann als Ring in der Äquatorialebene angeordnet. Oder entstand der Ring zusammen mit dem Planeten aus einer ihn umgebenden Plasmawolke? Die grundsätzliche Entstehung wäre in einiger Hinsicht ähnlich wie die unseres gesamten Sonnensystems. Bis heute aber bleibt aber offen, was damals wirklich geschah. Tatsache jedenfalls ist: Saturn ist kein Einzelfall, auch wenn er das mit Abstand hellste und schönste Ringsystem sein Eigen nennen darf.

1977 stießen Astronomen auf erste Hinweise für Ringe um Uranus, den mit 2,8 Milliarden Kilometern mittlerer Sonnendistanz fast doppelt so weit wie Saturn entfernten Gasplaneten. Neun einzelne, sehr lichtschwache Ringe ließen sich bei der fernen Welt unterscheiden. Als Voyager 2 im Jahr 1986 den Planeten passierte, stieß die Sonde auf weitere Ringe und Monde, darunter wieder auch »Schäferhunde«: die beiden 50 Kilometer großen Trabanten Cordelia und Orphelia.

Nur zwei Jahre nach der Entdeckung des Uranus-Ringes flog Voyager 1 an Jupiter vorbei und stieß dabei auf ein sehr bescheidenes Ringsystem, das aus winzigen Teilchen gebildet wird. Der rund 250.000 Kilometer messende Ring wäre als »Bauchbinde« des riesigen Planeten ziemlich überfordert, er sieht geradezu verloren aus.

Haardünne Ringe legen sich schließlich auch um den vierten Gasriesen unseres Systems, den Neptun. Als er in den Jahren 1984 und 1985 Hintergrundsterne bedeckte, zeigten sie leichte Helligkeitseinbrüche. Die Beobachtungen ließen zunächst auf Ringbögen schließen, also keine kompletten Ringe. Doch 1989 wies Voyager 2 dann zwei rundum laufende Einzelringe nach.

Exo-Ringwelten?

Alle vier Gasplaneten unseres Sonnensystems sind also stolze Besitzer mehr oder minder repräsentativer Ringe. Demnach dürfte es nicht zu abwegig sein anzunehmen, dass auch extrasolare Jupiters und Saturns von solchen Zierden umgeben sind. In den vergangenen Jahren spürten vor allem zwei Teams aus den USA und der Schweiz zahlreiche Planeten um fremde Sonnen auf. Heute sind rund 100 dieser Exo-Welten bekannt. Viele sind Riesen mit mehrfacher Jupitermasse nahe dem Heimatstern, doch ist das ein Auswahleffekt. Denn diese Planeten lassen sich am einfachsten nachweisen. Verfeinerte Methoden bringen aber auch kleinere Welten zum Vorschein, was ganz in der Absicht der Beobachter liegt. Schritt für Schritt enthüllt sich damit auch der originale Bau von anderen Planetensystemen. Und, interessant: Diese Systeme ähneln dem unseren weitaus mehr.

 

 

Geoffrey Marcy, hoch erfolgreicher Planetenjäger von der Universität von Kalifornien, Berkeley, macht die Situation durch einen treffenden Vergleich anschaulich: »Es ist, als ob wir aus der Ferne auf einen Strand blicken. Zunächst sahen wir nur die großen Brocken rumliegen, das waren dann also die Planeten von Jupiterformat oder noch massiger. Nun sehen wir schon die ›Steine‹, saturngroße Planeten oder kleiner.« Nur, um kleine Kiesel wie die Erde zu sehen, dafür sind noch bessere Instrumente nötig. Vom Sand - fremden Asteroiden, Kometen oder aber auch der Materie von Planetenringen - einmal ganz abgesehen. Lediglich als Gesamtmasse können solche kleinen Objekte noch auf sich aufmerksam machen. Tatsächlich gibt es bereits Hinweise auf Asteroiden-Gürtel um andere Sterne, gewissermaßen »stellare Saturnringe«.

Zu den saturngroßen Planeten, die in der jüngsten Gegenwart entdeckt wurden, zählt ein Objekt, das ungefähr 80 Prozent der Masse unseres schönsten Ringplaneten besitzt und den Stern HD 46375 im Sternbild Einhorn umkreist. Während er nur 6,5 Millionen Kilometer von jener Sonne entfernt ist, ein echter »Hot Saturn« also, steht das gesamte System in 109 Lichtjahren Distanz von der Erde. Noch leichter als er ist ein anderer Planet. Er bringt nur 70 Prozent der Saturnmasse auf die hypothetische Waage und hält sich in rund 50 Millionen Kilometern Distanz von 79 Ceti auf, einem Stern im Walfisch. Diese Entfernung entspricht in etwa dem Merkurabstand von unserer Sonne. 79 Ceti liegt nur geringfügig weiter weg von uns als HD 46375.

Und nun kam brandneu die Entdeckung um Famol-Hoot el Ganoubi dazu, eben um jenen Hauptstern im Sternbild Südlicher Fisch. Diese 9.000 Grad heiße Sonne, deren Name sich aus dem Arabischen ableitet, als Fomalhaut bekannt ist und damit das »Maul« des Fisches meint, ist weniger als ein Viertel der oben erwähnten Distanzen von uns entfernt. Der helle Stern wird von einer krapfenförmigen, kalten Wolke aus Staub und Gas umgeben. Forscher fanden nun eine Verformung in der Scheibe, aus der sie auf die Existenz eines saturnähnlichen Riesen schließen. Ob er allerdings von einem Ring umgeben ist, kann niemand sagen.

Facts:

Im Oktober 2002 fanden Astronomen einen saturngroßen Planeten um einen der hellsten Sterne des Himmels, den nur 23 Lichtjahre entfernten Stern Fomalhaut.
Der erste Planetenring wurde 1656 als solcher vom niederländischen Astronomen Christiaan Huygens entdeckt. Er erkannte damals, das Saturn von einem kompletten Ring umgeben ist. Bald fielen Einzelringe auf.

Raumsonden wie Pioneer und Voyager wiesen nach, dass die großen Saturnringe aus tausenden von Einzelringen bestehen. In den mittleren Zonen zucken Blitze durch sie hindurch und laden winzige Teilchen elektrisch auf. Sie erscheinen als mysteriöse Speichen über der Ebene der Ringe.

Nasa-Experten konnten jetzt bestätigen, dass die beiden »Schäfersatelliten« Prometheus und Pandora, die den so genannten F-Ring zu einem engen Band werden lassen, sich chaotisch verhalten. Sie sind die einzigen bekannten Himmelskörper, deren Bahnverhalten sich nicht kalkulieren lässt.

Planetenringe sind kein Einzelfall. Die Uranusringe wurden 1977 nachgewiesen, 1979 stieß Voyager 1 auf die Jupiterringe, zehn Jahre später fand Voyager 2 dann auch die Neptunringe.

Die Chancen liegen gut, dass auch Exo-Planeten von Ringsystemen umgeben sind. Saturngroße Planeten sind beispielsweise die Begleiter der Sterne HD 46375 im Einhorn und 79 Ceti im Walfisch sowie der neu entdeckte Himmelskörper um Fomalhaut. Ein Nachweis von Ringen ist aber mit der heutigen Technik dort nicht möglich.



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