Astronomie

Lernziele

Am Ende dieses Abschnitts können Sie:

• Vergleichen Sie die Orbitaleigenschaften von Pluto mit denen der Planeten
• Beschreiben Sie Informationen über Plutos Oberfläche, die aus den Bildern von New Horizons abgeleitet wurden
• Beachten Sie einige Unterscheidungsmerkmale von Plutos großem Mond Charon

Abbildung 1: Plutos Bewegung. Teile der beiden Fotografien, mit denen Clyde Tombaugh Pluto 1930 entdeckte. Die linke wurde am 23.Januar und die rechte am 29.Januar genommen. Beachten Sie, dass sich Pluto, angezeigt durch einen Pfeil, in diesen sechs Nächten zwischen den Sternen bewegt hat. Wenn wir keinen Pfeil daneben gesetzt hätten, hätten Sie wahrscheinlich nie den Punkt entdeckt, der sich bewegt hat. (Kredit: obwohl die Entdeckung von Pluto zunächst eine Bestätigung der Gravitationstheorie zu sein schien, ähnlich dem früheren Triumph von Adams und Le Verrier bei der Vorhersage der Position von Neptun, wissen wir jetzt, dass Lowells Berechnungen falsch waren. Als seine Masse und Größe schließlich gemessen wurden, stellte sich heraus, dass Pluto unmöglich einen messbaren Zug auf Uranus oder Neptun ausgeübt haben konnte. Astronomen sind nun davon überzeugt, dass die berichteten kleinen Anomalien in den Bewegungen von Uranus nicht real sind und es auch nie waren.

Seit seiner Entdeckung war klar, dass Pluto kein Riese wie die anderen vier Planeten des äußeren Sonnensystems war. Lange Zeit glaubte man, dass die Masse von Pluto der der Erde ähnlich sei, so dass er als fünfter terrestrischer Planet eingestuft wurde, der irgendwie in den äußersten Bereichen des Sonnensystems fehl am Platz war. Es gab jedoch andere Anomalien, da Plutos Umlaufbahn exzentrischer und zur Ebene unseres Sonnensystems geneigt war als die eines anderen Planeten. Erst nach der Entdeckung seines Mondes Charon im Jahr 1978 konnte die Masse von Pluto gemessen werden, und es stellte sich heraus, dass sie weit unter der Masse der Erde lag.

Abbildung 2: Vergleich der Größe von Pluto und seinem Mond Charon mit der Erde. Diese Grafik zeigt anschaulich, wie klein Pluto relativ zu einem terrestrischen Planeten wie der Erde ist. Das ist die primäre Rechtfertigung dafür, Pluto eher in die Klasse der Zwergplaneten als in die Klasse der terrestrischen Planeten einzuordnen. (credit: modification of work by NASA)

Neben Charon hat Pluto vier kleine Monde. Nachfolgende Beobachtungen von Charon zeigten, dass sich dieser Mond in einer retrograden Umlaufbahn befindet und einen Durchmesser von etwa 1200 Kilometern hat, mehr als halb so groß wie Pluto selbst (Abbildung 2). Dies macht Charon zum Mond, dessen Größe den größten Teil seines Mutterplaneten ausmacht. Wir könnten uns Pluto und Charon sogar als Doppelwelt vorstellen. Von Pluto aus gesehen wäre Charon so groß wie acht Vollmonde auf der Erde.Für viele Astronomen schien Pluto der seltsame Cousin zu sein, von dem jeder hofft, dass er beim nächsten Familientreffen nicht auftaucht. Weder sein Weg um die Sonne noch seine Größe ähneln den Riesenplaneten oder den terrestrischen Planeten. In den 1990er Jahren begannen Astronomen, zusätzliche kleine Objekte im äußersten Sonnensystem zu entdecken, was zeigte, dass Pluto nicht einzigartig war. Wir werden diese transneptunischen Objekte später mit anderen kleinen Körpern im Kapitel über Kometen und Asteroiden: Trümmer des Sonnensystems diskutieren. Einer von ihnen (Eris genannt) ist fast so groß wie Pluto, und ein anderer (Makemake) ist wesentlich kleiner. Den Astronomen wurde klar, dass Pluto sich so sehr von den anderen Planeten unterschied, dass er eine neue Klassifizierung benötigte. Daher wurde es ein Zwergplanet genannt, was einen Planeten bedeutet, der viel kleiner ist als die terrestrischen Planeten. Wir kennen jetzt viele kleine Objekte in der Nähe von Pluto und haben einige als Zwergplaneten klassifiziert.

Eine ähnliche Geschichte war mit der Entdeckung der Asteroiden verbunden. Als der erste Asteroid (Ceres) zu Beginn des neunzehnten Jahrhunderts entdeckt wurde, wurde er als neuer Planet gefeiert. In den folgenden Jahren wurden jedoch andere Objekte mit ähnlichen Umlaufbahnen wie Ceres gefunden. Astronomen entschieden, dass diese nicht alle als Planeten betrachtet werden sollten, und erfanden daher eine neue Klasse von Objekten, die als Kleinplaneten oder Asteroiden bezeichnet werden. Ceres wird heute auch als Zwergplanet bezeichnet. Sowohl Kleinplaneten als auch Zwergplaneten sind Teil eines ganzen Gürtels oder von Zonen ähnlicher Objekte (wie wir in Comets and Asteroids: Debris of the Solar System diskutieren werden).

Ist Pluto ein Planet? Unsere Antwort ist ja, aber es ist ein Zwergplanet, eindeutig nicht in der gleichen Liga mit den acht großen Planeten (vier Riesen und vier Terrestrische). Während einige Leute verärgert waren, als Pluto neu klassifiziert wurde, könnten wir darauf hinweisen, dass ein Zwergbaum immer noch eine Art Baum ist und (wie wir sehen werden) eine Zwerggalaxie immer noch eine Art Galaxie ist.

Clyde Tombaugh: Von der Farm zum Ruhm

Clyde Tombaugh entdeckte Pluto, als er 24 Jahre alt war, und seine Position als Mitarbeiterassistent am Lowell Observatory war sein erster bezahlter Job. Tombaugh war auf einer Farm in Illinois geboren worden, aber als er 16 war, zog seine Familie nach Kansas. Dort beobachtete er mit der Ermutigung seines Onkels den Himmel durch ein Teleskop, das die Familie aus dem Sears-Katalog bestellt hatte. Tombaugh baute später selbst ein größeres Teleskop und widmete seine Nächte (wenn er von der Farmarbeit nicht zu müde war) detaillierten Skizzen der Planeten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Clyde Tombaugh (1906-1997). (a) Tombaugh ist 1928 auf seiner Familienfarm mit einem von ihm gebauten 9-Zoll-Teleskop abgebildet. (b) Hier schaut Tombaugh durch ein Okular am Lowell Observatory. (credit b: modification of work by NASA)

1928, nachdem ein Hagelsturm die Ernte ruiniert hatte, entschied Tombaugh, dass er einen Job brauchte, um seine Familie zu unterstützen. Obwohl er nur eine Highschool-Ausbildung hatte, dachte er daran, Teleskopbauer zu werden. Er schickte seine Planetenskizzen an das Lowell Observatory und suchte Rat, ob eine solche Berufswahl realistisch sei. Durch eine wunderbare Wendung des Schicksals kam seine Anfrage gerade an, als die Lowell-Astronomen erkannten, dass eine erneute Suche nach einem neunten Planeten einen sehr geduldigen und engagierten Beobachter erfordern würde.Die großen Fotoplatten (Glasstücke mit fotografischer Emulsion darauf), die Tombaugh nachts aufnehmen und tagsüber durchsuchen sollte, enthielten durchschnittlich jeweils etwa 160.000 Sternbilder. Wie finde ich Pluto unter ihnen? Die Technik bestand darin, zwei Fotos im Abstand von etwa einer Woche aufzunehmen. Während dieser Woche bewegte sich ein Planet ein kleines bisschen, während die Sterne relativ zueinander an derselben Stelle blieben. Ein neues Instrument namens „Blinkkomparator“ könnte die beiden Bilder in einem Okular schnell abwechseln. Die Sterne, die sich auf den beiden Platten in derselben Position befinden, scheinen sich nicht zu ändern, da die beiden Bilder „geblinkt“ wurden.“ Aber ein sich bewegendes Objekt scheint hin und her zu wackeln, wenn sich die Platten abwechseln.Nach der Untersuchung von mehr als 2 Millionen Sternen (und vielen Fehlalarmen) fand Tombaugh seinen Planeten am 18.Februar 1930. Die Astronomen des Observatoriums überprüften seine Ergebnisse sorgfältig und der Fund wurde am 13.März, dem 149. Glückwünsche und Interviewanfragen kamen aus der ganzen Welt. Die Besucher stiegen in Moskau auf das Observatorium herab und wollten den Ort sehen, an dem der erste neue Planet seit fast einem Jahrhundert entdeckt worden war, sowie die Person, die ihn entdeckt hatte.Im Jahr 1932 verabschiedete sich Tombaugh von Lowell, wo er weiter gesucht und gearbeitet hatte, um einen College-Abschluss zu erhalten. Schließlich erhielt er einen Master-Abschluss in Astronomie und lehrte Navigation für die Marine während des Zweiten Weltkriegs. Im Jahr 1955, nachdem er an der Entwicklung eines Raketen-Tracking-Teleskops gearbeitet hatte, wurde er Professor an der New Mexico State University, wo er half, die Astronomie-Abteilung zu gründen. Er starb 1997; Ein Teil seiner Asche wurde in die Raumsonde New Horizons nach Pluto gelegt.

Die Natur von Pluto

Mit Hilfe von Daten der New Horizons-Sonde haben Astronomen den Durchmesser von Pluto mit 2370 Kilometern gemessen, nur 60 Prozent so groß wie unser Mond. Aus dem Durchmesser und der Masse finden wir eine Dichte von 1, 9 g / cm3, was darauf hindeutet, dass Pluto eine Mischung aus Gesteinsmaterialien und Wassereis in etwa den gleichen Anteilen wie viele Monde des äußeren Planeten ist.Teile von Plutos Oberfläche sind stark reflektierend, und sein Spektrum zeigt die Anwesenheit von gefrorenem Methan, Kohlenmonoxid und Stickstoff auf seiner Oberfläche. Die maximale Oberflächentemperatur reicht von etwa 50 K, wenn Pluto am weitesten von der Sonne entfernt ist, bis zu 60 K, wenn er am nächsten ist. Schon dieser kleine Unterschied reicht aus, um eine partielle Sublimation (vom Feststoff zum Gas) des Methan- und Stickstoffeises zu bewirken. Dies erzeugt eine Atmosphäre, wenn Pluto in der Nähe der Sonne ist, und es friert aus, wenn Pluto weiter weg ist. Beobachtungen entfernter Sterne durch diese dünne Atmosphäre zeigen, dass der Oberflächendruck etwa ein Zehntausendstel des Erddrucks beträgt. Weil Pluto ein paar Grad wärmer ist als Triton, ist sein atmosphärischer Druck etwa zehnmal größer. Diese Atmosphäre enthält mehrere unterschiedliche Dunstschichten, die vermutlich durch photochemische Reaktionen verursacht werden, wie sie in der Titanatmosphäre vorkommen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dunstschichten in der Atmosphäre von Pluto. Dies ist eines der hochauflösendsten Fotos von Pluto, aufgenommen von der Raumsonde New Horizons 15 Minuten nach ihrer nächsten Annäherung. Es zeigt 12 Schichten Dunst. Beachten Sie auch die Bergkette mit Höhen bis zu 3500 Metern. (credit: modification of work by NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Pluto mit einem Raumschiff zu erreichen, war eine große Herausforderung, insbesondere in einer Zeit, in der reduzierte NASA-Budgets große, teure Missionen wie Galileo und Cassini nicht unterstützen konnten. Doch wie Galileo und Cassini würde eine Pluto-Mission ein kernelektrisches System erfordern, das die Wärme von Plutonium nutzt, um die Energie zu erzeugen, um die Instrumente anzutreiben und sie fern von der Wärme der Sonne zu halten. Die NASA stellte einen der letzten ihrer Atomgeneratoren für eine solche Mission zur Verfügung. Unter der Annahme, dass ein erschwingliches, aber hochfähiges Raumschiff gebaut werden könnte, gab es immer noch das Problem, Pluto, fast 5 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, zu erreichen, ohne Jahrzehnte zu warten. Die Antwort war, Jupiters Schwerkraft zu nutzen, um das Raumschiff in Richtung Pluto zu schleudern.

Der Start von New Horizons im Jahr 2006 startete die Mission mit hoher Geschwindigkeit, und der Jupiter-Vorbeiflug nur ein Jahr später gab ihr den erforderlichen zusätzlichen Schub. Die Raumsonde New Horizons erreichte Pluto im Juli 2015 mit einer relativen Geschwindigkeit von 14 Kilometern pro Sekunde (oder etwa 50.000 Stundenkilometern). Mit dieser hohen Geschwindigkeit wurde die gesamte Flyby-Sequenz auf nur einen Tag komprimiert. Die meisten Daten, die in der Nähe der nächsten Annäherung aufgezeichnet wurden, konnten erst viele Monate später zur Erde übertragen werden, aber als sie endlich ankamen, wurden Astronomen mit einer Fundgrube an Bildern und Daten belohnt.

Erste Nahaufnahmen von Pluto

Abbildung 5: Globales Farbbild von Pluto. Dieses New Horizons-Bild zeigt deutlich die Vielfalt der Terrains auf Pluto. Der dunkle Bereich unten links ist mit Einschlagskratern bedeckt, während der große helle Bereich in der Mitte und unten rechts ein flaches Becken ohne Krater ist. Die Farben, die Sie sehen, sind etwas verbessert, um subtile Unterschiede hervorzuheben. (credit: modification of work by NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Pluto ist nicht die geologisch tote Welt, die viele für ein so kleines Objekt erwartet haben — weit davon entfernt. Die Aufteilung der Oberfläche in Bereiche mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Oberflächenstruktur ist in dem in Abbildung 5 gezeigten globalen Farbfoto ersichtlich. Die rötliche Farbe wird in diesem Bild verstärkt, um Farbunterschiede deutlicher hervorzuheben. Die dunkleren Teile der Oberfläche scheinen kraterartig zu sein, aber daneben befindet sich ein fast gesichtsloser Lichtbereich im unteren rechten Quadranten dieses Bildes. Die dunklen Bereiche zeigen die Farben von photochemischem Dunst oder Smog, ähnlich wie in der Atmosphäre von Titan. Das dunkle Material, das diese alten Oberflächen färbt, könnte von Plutos atmosphärischem Dunst oder von chemischen Reaktionen stammen, die an der Oberfläche aufgrund der Einwirkung von Sonnenlicht stattfinden.

Die hellen Bereiche auf dem Foto sind Tieflandbecken. Dies sind anscheinend Meere aus gefrorenem Stickstoff, vielleicht viele Kilometer tief. Sowohl Stickstoff als auch Methangas können Pluto entweichen, wenn es sich in dem Teil seiner Umlaufbahn in der Nähe der Sonne befindet, jedoch nur sehr langsam.

Abbildung 6 zeigt einige der bemerkenswerten Oberflächenmerkmale, die New Horizons enthüllte. Rechts in diesem Bild sehen wir die „Küstenlinie“ der riesigen Schüssel mit Stickstoffeis, die wir als glatte Region in Abbildung 5 gesehen haben. Diese runde Region, die nach dem ersten menschlichen Objekt, das in den Weltraum gelangte, vorübergehend als „Sputnik-Ebene“ bezeichnet wurde, ist ungefähr tausend Kilometer breit und zeigt faszinierende Zellen oder Polygone mit einer durchschnittlichen Breite von mehr als 30 Kilometern. Die Berge in der Mitte sind große Blöcke aus gefrorenem Wassereis, einige erreichen Höhen von 2 bis 3 Kilometern.

Abbildung 6: Vielfalt des Geländes auf Pluto. Diese verbesserte Farbansicht eines etwa 80 Kilometer langen Streifens der Pluto-Oberfläche zeigt eine Vielzahl unterschiedlicher Oberflächenmerkmale. Von links nach rechts durchqueren wir zuerst eine Region von „Badlands“ mit einigen Kratern und bewegen uns dann über eine breite Palette von Bergen aus Wassereis, die mit dem röteren Material beschichtet sind, das wir im vorherigen Bild gesehen haben. Dann kommen wir rechts an der „Küste“ des großen Meeres aus gefrorenem Stickstoff an, das die Missionswissenschaftler „Sputnik“ genannt haben.“ Dieses Stickstoffmeer ist in mysteriöse Zellen oder Segmente unterteilt, die viele Kilometer breit sind. (credit: modification of work by NASA /Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)

Abbildung 7 zeigt eine andere Ansicht der Grenze zwischen verschiedenen Arten von Geologie. Die Breite dieses Bildes beträgt 250 Kilometer und zeigt dunkles, uraltes, stark krateriges Gelände; dunkles, unkrateriges Gelände mit hügeliger Oberfläche; glattes, geologisch junges Gelände; und eine kleine Gruppe von Bergen, die mehr als 3000 Meter hoch sind. In den besten Bildern scheinen die hellen Bereiche des Stickstoffeises ähnlich wie Gletscher auf der Erde geflossen zu sein und bedecken einen Teil des älteren Geländes darunter.

Die isolierten Berge inmitten der glatten Stickstoffebenen bestehen wahrscheinlich auch aus Wassereis, das bei den Temperaturen auf Pluto sehr hart ist und auf gefrorenem Stickstoff schwimmen kann. Zusätzliche Berge und etwas hügeliges Gelände, das die Missionswissenschaftler an Schlangenhaut erinnerte, sind in Teil (b) von Abbildung 7 sichtbar. Dies sind vorläufige Interpretationen der ersten Daten von New Horizons aus den Jahren 2015 und Anfang 2016. Im Laufe der Zeit werden Wissenschaftler die einzigartige Geologie von Pluto besser verstehen.

Abbildung 7: Geländevielfalt auf Pluto. (a) Auf diesem Foto, etwa 250 Kilometer breit, können wir viele verschiedene Arten von Gelände sehen. Am unteren Rand sind älter, Kraterhochland; Eine V-förmige Region von Hügeln ohne Krater zeigt auf den unteren Rand des Bildes. Um die V-förmige dunkle Region herum befindet sich die glatte, hellere gefrorene Stickstoffebene, die wie Gletscher auf der Erde wirkt. Einige isolierte Berge, die aus gefrorenem Wassereis bestehen, schwimmen im Stickstoff in der Nähe des oberen Bildrandes. (b) Diese Szene hat einen Durchmesser von etwa 390 Kilometern. Die abgerundeten Berge, ganz anders als die, die wir auf der Erde kennen, heißen Tartarus Dorsa. Die Muster, die aus sich wiederholenden Graten mit dem rötlicheren Gelände zwischen ihnen bestehen, sind noch nicht verstanden. (gutschrift a, b: modifikation der Arbeit von NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Ein kurzer Blick auf Charon

Um die Geheimnisse von Pluto zu erweitern, zeigen wir in Abbildung 8 eines der besten New Horizons-Bilder von Plutos großem Mond Charon. Erinnern Sie sich daran, dass Charon ungefähr halb so groß ist wie Pluto (sein Durchmesser ist ungefähr so groß wie Texas). Charon hält die gleiche Seite in Richtung Pluto, so wie unser Mond die gleiche Seite in Richtung Erde hält. Das Besondere am Pluto-Charon-System ist jedoch, dass Pluto auch Charon sein Gesicht zeigt. Wie zwei Tänzer, die sich umarmen, stehen sich diese beiden ständig gegenüber, während sie sich über die himmlische Tanzfläche drehen. Astronomen nennen dies eine doppelte Gezeitenschleuse.

Abbildung 8: Plutos großer Mond Charon. (a) In diesem New Horizons-Bild wurde die Farbe verbessert, um die Farbe der seltsamen roten Polarkappe des Mondes hervorzuheben. Charon hat einen Durchmesser von 1214 Kilometern und die Auflösung dieses Bildes beträgt 3 Kilometer. (b) Hier sehen wir den Mond aus einem etwas anderen Blickwinkel, in echter Farbe. Der Ausschnitt zeigt eine Fläche von etwa 390 Kilometern von oben nach unten. Oben links befindet sich ein faszinierendes Merkmal — ein Berg inmitten einer Senke oder eines Wassergrabens. (credit a, b: Modifikation der Arbeit von NASA / JHUAPL / SwRI)

Was New Horizons zeigte, war eine andere komplexe Welt. Es gibt verstreute Krater im unteren Teil des Bildes, aber ein Großteil der restlichen Oberfläche erscheint glatt. In der Mitte des Bildes kreuzt ein Gürtel aus unebenem Gelände, einschließlich tektonischer Täler, als hätten einige Kräfte versucht, Charon auseinander zu spalten. Abgerundet wird dieses seltsame Bild durch eine deutlich rote Polarkappe unbekannter Zusammensetzung. Viele Merkmale auf Charon sind noch nicht verstanden, einschließlich eines Berges inmitten einer niedrig gelegenen Region.