Der Looser im Sonnensystem

Hallöchen miteinander. Ich bin gerade beim jährlichen Großputz in meinem Ferienhaus in Nesselwang. Für die dreistündige Bahnfahrt nehme ich mir immer ein Buch mit, diesmal von Isaac Asimov „Wenn die Wissenschaft irrt“. Ich mag Asimov. Er schreibt gerne über Wissenschaftsgeschichte und das ist etwas was ich liebe. Er schreibt auch interessant kurzweilig und wie ich auch, nicht immer neutral.

Auf dem Weg habe ich einige Kapitel gelesen und besonders blieb mir haften ein Kapitel über Pluto schon der Titel klingt interessant: „Der Riese der ein Zwerg war“. Und ich dachte mir ich erzähle euch die Geschichte auch, noch etwas erweitert, denn das Buch ist so um 1987 erschienen.

Die Geschichte beginnt mit der Entdeckung von Uranus. Er wurde 1781 von William Herschel entdeckt. Sehr bald zeigten sich in der Bahn Unregelmäßigkeiten, die auf die Gravitation eines weiteren Planeten hindeutete. Eine der spannenden Kapitel ist das die Wissenschaft schon immer sehr genau messen konnte. So auch die Bahn von Uranus anhand seiner Position. Zwei Mathematiker kamen nahezu zeitgleich auf die Lösung und prognostizierten wo sich der Planet befinden sollte, der dann auch am ersten Abend an der Stelle entdeckt wurde. Damit sollte das Problem gelöst sein, aber es war nicht gelöst. Es blieb immer noch eine kleine Abweichung, die auf einen weiteren Planeten genannt „Planet X“ hinwies. Einer der eifrigsten, die nach ihm suchten war Percival Lowell, ein Industriemagnet der sich eine eigene Privatsternwarte in Arizona (wegen des Seeings) bauen ließ. Lowell ist auch bekannt dafür das er bei der Marsforschung erstaunlich detaillierte Karten erstellte, die ein Gewirr von Kanälen zeigten, die es leider in Wirklichkeit nicht gab. Percival Lowell schätzte die Masse von Planet X auf 10 Erdmassen und vermutete ihn in weiteren 2-3 Milliarden km von der Sonne entfernt also zwischen 6,5 und 7,5 Mrd. km. Nach der Titius-Bode-Reihe sollte ein Planet X in 38,8 AE Entfernung seine Kreise ziehen. Diese Reihe beschriebt bei den anderen Planeten die Abstände recht genau, mit Ausnahme von Neptun.

Lowell starb 1916, ohne den Planeten zu finden. Doch die Sternwarte wurde weiter betrieben und von dem Erbe finanziert. An dieser Sternwarte entdeckte im Jahre 1930 Clyde Tombaugh den Planeten X, den er „Pluto“ nannte, darin stecken auch die Initialen von Percival Lowell.

Doch mit der Entdeckung begannen die Probleme. Die späte Entdeckung – fast 100 Jahre nach Einführung der Fotografie, die es nicht nur ermöglicht zwei Fotografien zu vergleichen, um einen sich langsam bewegenden Planeten zu erkennen, sondern auch viel lichtschwächere Objekte zu erkennen zeigt schon das Problem: Pluto war zu lichtschwach. Pluto hatte bei der Entdeckung die 14 Größenklasse, Neptun die 8,7 Magnitude. Das sind mehr als 5 Größenklassen unterschied, die in der Helligkeit mehr als dem Faktor 100 entsprechen. Pluto war lichtschwächer als der Neptunmond Triton. Alleine an der Entfernung lag es nicht, als Pluto entdeckt wurde war er 6.100 Millionen km von der Erde entfernt. Auf halber Strecke zwischen seinem Perihel und Aphel.

Zuerst versuchte man die Helligkeit mit den Abweichungen der Uranusbahn zu vereinbaren. Pluto konnte sehr dunkel sein. Wir kennen einige dunkle Monde. So sind die Uranusmonde relativ dunkel und viele eingefangene Asteroiden wie die inneren Jupitermonde oder Phoebe sind dunkel. Ansonsten sind sowohl die Planeten wie auch Monde im äußeren Sonnensystem eher hell. Die Planeten wie die Atmosphären viel Licht reflektieren wie Wolken (deswegen hat auch die Venus eine hohe Albedo), die Monde, weil ihre Oberfläche aus Eis besteht. Dunkel ist Gestein. So hat der Mond eine niedrige Albedo, ebenso der Mars oder die Kontinente der Erde. Das ergab nun die „tolle“ Lösung, dass wenn Pluto aus Gestein besteht, so die Dichte eines Körpers relativ groß sein konnte. Hätte Pluto die Dichte der Erde, so hätte er beim 2,2-fachen Erddurchmesser 10 Erdmassen, die Planet X haben sollte.

Nur hat das zwei Probleme. Das eine ist das nach den Modellen im Bereich wo Pluto sich befindet Wasser oder Methan das vorherrschende Element ist, dazu kommen Helium und Wasserstoff. Uranus und Neptun bestehen zum größten Teil aus Wasser und Methan mit einer kleinen Atmosphäre aus den beiden Gasen. Die Monde bestehen ab Saturn fast nur aus diesem Material. Die meisten nahmen an, dass Pluto nur noch 0,8 bis 0,9 Erdmassen hat, womit er auch nicht der gesuchte „Planet X“ sein kann.

Und selbst wenn Pluto 2,2 Erddurchmesser groß wäre, dann wäre er immer noch heller. Hätte Pluto die Albedo des Mondes, (0,12) dann dürfte er maximal 5.000 km Durchmesser haben. Er könnte also selbst wenn er aus Stein besteht, nie die 10 Erdmassen haben. Selbst wenn er aus den dichtesten Elementen wie Gold oder Blei besteht, er hätte bei diesem Durchmesser nur etwa 0,2 Erdmassen.

Was die Astronomen auch verwundert waren drei Parameter von Pluto: Bahnneigung, Bahnexzentrizität und Rotationsperiode.

Die anderen Planeten, aber auch viele Asteroiden und – übertragen auf einen anderen Zentralkörper – die meisten damals bekannten Monde, umkreisen die Sonne bzw. den Planeten in dessen Äquatorebene. Der einzige Planet, der davon abweicht ist Merkur, aber selbst bei ihm ist die Bahnneigung mit 7 Grad relativ gering. Plutos Bahn ist um 17,4 Grad geneigt und damit mehr als zweimal stärker als die von Merkur. Dadurch kann sein Perihel innerhalb der Neptunbahn liegen, ohne das Pluto jemals Neptun nahe kommt, ja er kommt dadurch sogar Uranus näher als Neptun.

Das zweite ist die Exzentrizität, ein Maß für die Abweichung der Bahn von einem perfekten Kreis. Ein perfekter Kreis ist keine Bahn, aber nahezu. Bei der Erde beträgt der Unterschied z. B. 5 Millionen km bei knapp 300 Millionen km Durchmesser. Auch hier setzt Merkur die Marke, seine Bahn hat eine Exzentrizität von 0,206. Doch auch hier wird er von Pluto geschlagen: 0,2488 – der sonnennächste Punkt liegt bei 49.305 AE (7.37593 Mrd. km) und das Perihel bei 29.658 AE (4.43682 Mrd. km).

Ein relativ früh bestimmter Wert war die Rotationsperiode aufgrund von Helligkeitsschwankungen die bei 6,38 Tagen liegt. Das passt nun überhaupt nicht ins derzeitige System. Merkur und Venus wurden durch die Sonne abgebremst. Sie rotieren gebunden mit Perioden von 59 und 243 Tagen. Erde und Mars rotieren in 24 Stunden. Die Gas- und Eisriesen rotieren schneller und zwar um so schneller je höher der Durchmesser: Jupiter und Saturn bei etwa 10 Stunden und Uranus und Neptun in 17 bzw. 16 Stunden. Wenn Pluto ein erdähnlicher Planet ist, warum rotiert er so langsam, wenn er ein Gasplanet ist, dann müsste er noch schneller rotieren.

Kurz: Pluto passte nicht in das gängige Schema.

Der Durchmesser von Pluto musste bestimmt werden. Das ist nicht einfach. Bei einem Objekt das nur 14.te Größenklasse hat, muss man so lange eine Fotografie belichten, das die Luftunruhe das Bild verschmiert. Gerard Peter Kuiper, der auch den Uranusmond Miranda und den Neptunmond Nereide entdeckt und durch die Prognose des Kuiper Gürtels bekannt ist versuchte es 1950 mit visuellen Beobachtungen mit dem 5 m Teleskop von Mt Palomar, dem damals größten der Welt. Er kam auf 0,23 Bogensekunden, was 6.100 km in der damaligen Entfernung entsprach. Das wurde nicht allgemein akzeptiert, weil die Methode sehr fehleranfällig bei einem lichtschwachen und kleinen Objekt ist, aber es gab einen ersten Wert, vorher gab es nur Spekulationen. Kuiper sah aber auch selbst die Grenzen der Methode und gab an, das der Wert um bis zu 50 Prozent falsch sein kann.

Ab und an ziehen Planeten an Sternen vorbei. Dabei bedecken sie diese und die Helligkeit fällt ab. Die Helligkeit war schon vor Jahrzehnten mit sehr hoher Präzision messbar und als er am 28. April 1965 einen Stern im Sternbild Löwe bedeckte, wurde dies verfolgt. Aber die Helligkeit sank nicht ab. Pluto hatte den Stern verfehlt. Das ergab nun erstmals eine verlässliche Obergrenze: Pluto musste kleiner als 5.790 km sein.

1977 entdeckte man im Spektrum von Pluto Methaneis. Methaneis ist wie Wassereis sehr hell, man musste die Reflexionsfähigkeit nun auf 40 bis 70 Prozent annahmen (real: 52 Prozent) und damit sank der Durchmesser weiter ab auf 2.800 auf 3.300 km. Astronomen begannen nun zu scherzen, dass, wenn dies so weiter geht, Pluto bald verschwunden wäre, schließlich nahm man mal an das er 10 Erdmassen hatte und nun lag man bei unter 1/100 Erdmasse.

1978 entdeckte der Astronom James Christie in Fotografien mit dem verhältnismäßig kleinem Teleskop (1,5 m) von Arizona eine Delle in Plutos stark vergrößerter Aufnahme. Ein Test, ob es sich um einen Instrumentenfehler handelt, war negativ und Christie sah sich weitere Aufnahmen an, die bis zu acht Jahre in der Vergangenheit lagen. Die Delle wanderte um Pluto und zwar mit einer Periode von 6,4 Tagen. Pluto könnte nun unregelmäßig geformt sein, doch das schloss man bei einem so großen Körper aus. Christie nahm an das die Beule ein Mond Plutos ist, der den Mond sehr nahe umrundet und so bei den bisherigen Fotografien nicht aufgelöst wurde. Christie nannte den Mond nach seiner Frau Charline Charon. 1980 bedeckte Pluto wieder einen Stern. Er verfehlte ihn wieder, aber Charon bedeckte ihn und damit war Charons Durchmesser zu 1.170 km bestimmbar. Damit gab es erstmals einen Wert und mit ihm und der bekannten gemeinsamen Umlaufperiode war nun auch Plutos Größe berechenbar. Sie musste bei 2700 ± 300 km liegen, die Erdmasse bei 0,0021 Erdmassen und der Abstand Pluto-Charon (Mittelpunkte) zu 19.400 km. Mit Einführung von CCD-Detektoren gab es ab Anfang der Achtziger Jahre dann auch Aufnahmen die beide Himmelskörper getrennt zeigen.

Weitere Verbesserungen ergaben gegenseitige Bedeckungen von Charon und Pluto. Zwischen 1980 und 1990 bedeckten sich beide Körper mehrmals gegenseitig und die Beobachtung des Lichtabfalls und die Dauer erlaubte die Bestimmung der Durchmesser nun relativ genau: 2284 ± 18 km und für Charon zu 1192 km ± 38 km. Als Nebeneffekt konnte man so eine grobe Oberflächenkarte mit einer Auflösung von 50 km anfertigen. Bei einer Sternbedeckung wurde eine Atmosphäre bis in 3.200 km Höhe nachgewiesen.

Charon ist im Verhältnis zum Planeten der größte Mond. Er ist so groß, das er Plutos Rotation auf eine gemeinsame Periode von 6,4 Tagen abgebremst hat. Das heißt Plutos Tag ist genauso lang wie eine Umlaufperiode von Charon. Charon ist auf einer Hälfte Plutos immer zu sehen und auf der anderen nie. Mehr noch. Charon ist Pluto so nahe, das der Mittelpunkt seiner Bahn außerhalb von Pluto liegt. Beide rotieren um einen gemeinsamen Schwerpunkt.

Heute liegt nach den aktuellen Daten Plutos Durchmesser bei 2.375 km, Charon einen von 1.208 km (± 3 km) und er hat nur 0,002262 Erdmassen.

Schon zu Asimovs Zeiten begann aufgrund der kleinen Masse und Größe aber auch der Bahnparameter die Diskussion ob Pluto ein Planet ist. Asimov schreibt er solle als Asteroid eingestuft werden soll. Ich bin mir nicht sicher, ob das damals so war. Er wendet sich mit Argumenten dagegen, die darauf beruhen, dass Asteroiden sich meistens zwischen Mars und Jupiter befinden, Pluto aber weit jenseits Neptuns. Pluto wäre zudem noch größer und läge näher am kleinsten Planeten Merkur wie als am größten Planetoiden Ceres.

Hier finde ich, hat Asimov schlecht argumentiert. Den es gab ja noch andere Asteroiden. So die Trojaner die Jupiter vorangehen und nachhinken, zu denen inzwischen Lucy unterwegs ist. Asimov dürfte auch der Asteroid Chiron, der seine Bahn zwischen innerhalb Saturns und knapp außerhalb Uranus zieht und so Pluto deutlich näher ist. Aber damals waren die Kuipergürtelobjekte noch nicht bekannt. Als es immer mehr davon gab und etliche davon größer waren, als Pluto wurde schließlich die neue Kategorie der Zwergplaneten eingeführt. Pluto einer von bisher nur fünf Zwergplaneten – zusammen mit Ceres, Eris, Makemake und Haumea. Er ist der größte, aber Eris ist nur wenig kleiner und ihr Durchmesser anders als der von Pluto nicht genau bekannt.Auch Plutos Durchmesser wurde um 90 km größer als Bilder von New Horizons vorlagen, obwohl die Abweichung nach Sternbedeckungen nur mit 18 km angegeben wurde, sodass Eris Durchmesser von 2326 ± 12 km ich genauso mit Vorsicht betrachte. Wäre Eris 50 km größer, so wäre sie größer als Pluto.

Eines dürfte aber Pluto bleiben: das einzige Zwegplaneten-KBO das zu Lebzeiten des Autors besucht wird. Es gibt einige naheliegende Gründe, dafür das es keine weitere Mission in den nächsten Jahrzehnten zu einem KBO Besuch kommen wird:

Pluto ist mit Abstand am besten zu Erreichen. Alle anderen größeren KBO sind noch erheblich weiter weg. Kleinere KBO gibt es, die näher sind, unter anderem auch welche, die wie Chiron innerhalb Neptuns Bahn liegen, aber je kleiner, desto weniger Daten kann man gewinnen, weil das KBO nur kurz die Blickfelder von Instrumenten füllt. Daneben steigen die Belichtungszeiten an, was die Anforderungen an die Bewegungskompensation deutlich erhöht.

Die Reisezeit steigt natürlich auch an und damit die Kosten. Eher denke ich wird einer der wenigen Zentauren besucht. Durch einen Vorbeiflug an einem Gasriesen wäre das dV erträglich. Chiron wäre über ein Jupiter-Flyby in 17 Jahren erreichbar und mit einem dV von etwa 1500 m/s könnte man in eine Umlaufbahn einschwenken mit einem Flyby noch erheblich schneller je nachdem wo in der Bahn er gerade passiert wird.

Ich habe in einem anderen Kapitel festgestellt, das Asimov unter einer US-Blindheit leidet, die ich selbst bei hochkarätigen Forschern gesehen habe. Er lässt sich aus, das er den Planeten Uranus immer falsch ausgesprochen hat bis ihn jemand darauf aufmerksam machte, und zwar mit Betonung auf der zweiten Silbe anstatt der ersten. Worauf er nicht kommt und was eigentlich der Respekt für fremde Sprachen gebietet, ist es den Namen nicht zu amerikanisieren. Das geht los mit den griechischen Göttern und endet nicht bei Städtenamen (Nuremberg, Munich) oder Politikernamen (Yeltsin, Gorbatchief). Liegt wohl daran, dass es in den USA möglich ist, selbst höchste Schulabschlüsse ohne die Kenntnis auch nur einer Fremdsprache zu bekommen. Ich glaube als Strafe hat man die Abkürzung „www“ eingeführt, denn in dieser Sprache ist die Abkürzung länger auszusprechen als das, was sie abkürzt: aus „worldwide web“ wird „dabbal-ja dabbel-ju dabble-ju“ und dämlich klingen tut es auch noch.

Aber die Amis sprechen eben gerne über „Your anus“ (Uranus in englischer Sprache) und „Titten“ (Titan in englischer Sprache).

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