Droht ein Zusammenbruch?

Vorbeifliegender Stern könnte das gesamte Sonnensystem aus den Angeln heben

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Der Gasgigant Neptun ist der achte und äußerste Planet unseres Sonnensystems. Er hat fast den vierfachen Erddurchmesser und das rund 58-fache Erdvolumen.
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Ein kanadisches Forschungsteam hat knapp 3.000 Simulationen zu unserem Sonnensystem durchlaufen. Darin wollten sie die Auswirkungen von vorbeifliegenden Sternen auf uns und unser Sonnensystem erproben. Wenn die Gravitationskräfte eines fremden Sterns die Umlaufbahn von Neptun um nur 0,1 Prozent verschiebt, würde es unser Sonnensystem komplett durcheinander mischen. 

Toronto (Kanada) – Im Universum bestimmen Gravitationskräfte das Zusammenspiel von Planeten und anderen Himmelskörpern. Wenn ein massereicher Stern an unserem Sonnensystem vorbeifliegt, könnten seine Anziehungskräfte den äußersten Planeten Neptun aus seiner Umlaufbahn heben. Bereits eine Bahnverschiebung von 0,1 Prozent könnte dazu führen, dass die Ordnung in unserem Sonnensystem zusammenbricht. Wie wahrscheinlich ist das Szenario? Und wann wird das Sonnensystem in Chaos versinken?

Kleine Störungen der Umlaufbahn würden unser Sonnensystem ins Schwanken bringen

Ein kanadisches Forschungsteam, bestehend aus Garett Brown und Hanno Rein vom Fachbereich Physik und Umweltwissenschaften (Department of Physical and Environmental Sciences) an der Universität von Toronto in Scarborough sowie den Fakultäten für Physik (Department of Physics) an der Universität von Toronto haben 2.880 Simulation durchgeführt. Sie alle sollten die Auswirkungen eines Vorbeifluges von einem fremden Himmelskörper auf unser Sonnensystem untersuchen. Rein ist zudem auch für den Fachbereich Astronomie und Astrophysik (Department of Astronomy and Astrophysics) der Universität Toronto tätig.

Im Fokus der Studie standen Objekte, die zu schwach waren, ein Planetensystem unmittelbar zu destabilisieren. Dennoch sollten diese Objekte stark genug sein, um den dynamischen Zustand unseres Sonnensystems messbar zu stören. Dabei konnten die beiden Forscher zeigen, dass selbst kleine Störungen durch stellare Vorbeiflüge die Stabilität von Planetensystemen während ihrer Lebensdauer beeinflussen können – auch wenn dies nicht sofort passieren würde.

Wann wird ein fremder Himmelskörper unser Sonnensystem zum Schwanken bringen? Wie lange sind wir auf der Erde vor Gefahren aus dem Weltraum sicher?

Die Destabilisierung der Umlaufbahn von Neptun würde schrittweise auf die anderen Planeten übertragen werden. Auf der Erde würde man davon aber erst nach 20 Millionen Jahren etwas merken – der Grund ist die große Distanz zwischen den Planeten. Die Erde und Neptun sind im Durchschnitt ungefähr 4.540 Millionen Kilometer (also 4,5 Milliarden Kilometer) voneinander entfernt. Zwischen Jupiter und der Erde liegen im Mittel knapp 780 Millionen Kilometer und der Erd-Mars-Abstand umfasst ungefähr 230 Millionen Kilometer. 

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Szenario tatsächlich eintritt, ist sehr gering. Laut den Wissenschaftlern würde es wahrscheinlich einmal in 100 Milliarden Jahre passieren, dass ein fremdes massereiches Objekt die Umlaufbahn von Neptun stören könnte. Wobei die Störung keinen gravierenden Einfluss auf unser Sonnensystem haben wird, solange diese unter 0,1 Prozent liegen wird.

So sieht das „Hubble“-Weltraumteleskop das Sonnensystem

Das Weltraumteleskop „Hubble“ von Nasa und Esa befindet sich seit 1990 in der Erdumlaufbahn. In einer Höhe von etwa 500 Kilometern blickt es tief hinein ins Weltall – fotografiert gelegentlich aber auch die Planeten des Sonnensystems.
Das Weltraumteleskop „Hubble“ von Nasa und Esa befindet sich seit 1990 in der Erdumlaufbahn. In einer Höhe von etwa 500 Kilometern blickt es tief hinein ins Weltall – fotografiert gelegentlich aber auch die Planeten des Sonnensystems. © Nasa
Nahaufnahme des roten Planeten. Zu diesem Zeitpunkt befand sich der Mars „nur“ 88 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Erde und Mars kommen sich etwa alle 26 Monate nah. Die Annäherung im Dezember 2007 hat das „Hubble“-Team genutzt, um den roten Planeten abzulichten.
Nahaufnahme des roten Planeten. Zu diesem Zeitpunkt befand sich der Mars „nur“ 88 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Erde und Mars kommen sich etwa alle 26 Monate nah. Die Annäherung im Dezember 2007 hat das „Hubble“-Team genutzt, um den roten Planeten abzulichten. © NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Bell (Cornell University), and M. Wolff (Space Science Institute, Boulder)
Das „Hubble“-Weltraumteleskop hat in diesem Fall nicht nur den Nachbarplaneten der Erde, den Mars, fotografiert. Wer genau hinschaut, erkennt links oben den kleinen Mars-Mond Phobos, der um den roten Planeten zieht. Weil der Mond so klein ist, erscheint er in der „Hubble“-Aufnahme wie ein Stern. Da das Bild aus 13 verschiedenen Aufnahmen zusammengesetzt wurde, erscheint der Mond Phobos 13 Mal an unterschiedlichen Stellen.
Das „Hubble“-Weltraumteleskop hat in diesem Fall nicht nur den Nachbarplaneten der Erde, den Mars, fotografiert. Wer genau hinschaut, erkennt links oben den kleinen Mars-Mond Phobos, der um den roten Planeten zieht. Weil der Mond so klein ist, erscheint er in der „Hubble“-Aufnahme wie ein Stern. Da das Bild aus 13 verschiedenen Aufnahmen zusammengesetzt wurde, erscheint der Mond Phobos 13 Mal an unterschiedlichen Stellen. © NASA, ESA, and Z. Levay (STScI), Acknowledgment: J. Bell (ASU) and M. Wolff (Space Science Institute)
Die Details auf der Oberfläche des Planeten Jupiter sind auf „Hubble“-Fotos besonders gut zu erkennen. Besonders auffällig ist der „Große Rote Fleck“, der einen Durchmesser von rund 16.000 Kilometern hat und seit mindestens 200 Jahren über den Gasriesen tobt. Der Sturm ist so groß, dass der gesamte Planet Erde darin Platz finden würde.
Die Details auf der Oberfläche des Planeten Jupiter sind auf „Hubble“-Fotos besonders gut zu erkennen. Besonders auffällig ist der „Große Rote Fleck“, der einen Durchmesser von rund 16.000 Kilometern hat und seit mindestens 200 Jahren über den Gasriesen tobt. Der Sturm ist so groß, dass der gesamte Planet Erde darin Platz finden würde. © SCIENCE: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI)
Faszinierender Anblick: „Hubble“ enthüllt, dass es auf dem Planeten Jupiter Polarlichter gibt. Das Polarlicht wurde im UV-Licht aufgenommen. Es entsteht, wenn geladene Teilchen entlang des Magnetfelds des Jupiters auf hohe Energien beschleunigt werden. Treffen die Teilchen auf die Atmosphäre in der Nähe der Magnetpole, lassen sie diese wie Gase in einer Leuchtstoffröhre leuchten.
Faszinierender Anblick: „Hubble“ enthüllt, dass es auf dem Planeten Jupiter Polarlichter gibt. Das Polarlicht wurde im UV-Licht aufgenommen. Es entsteht, wenn geladene Teilchen entlang des Magnetfelds des Jupiters auf hohe Energien beschleunigt werden. Treffen die Teilchen auf die Atmosphäre in der Nähe der Magnetpole, lassen sie diese wie Gase in einer Leuchtstoffröhre leuchten. © NASA, ESA, and J. Nichols (University of Leicester); Acknowledgment: A. Simon (NASA/GSFC) and the OPAL team
„Hubble“ fotografiert nicht nur Planeten im Sonnensystem – in diesem Fall hat das Weltraumteleskop den Jupiter-Mond Europa ins Visier genommen. Europa ist etwas kleiner als der Erdmond, die Oberfläche ist von einer soliden Eiskruste bedeckt, die von Rissen durchzogen wird. Im Inneren befindet sich ein Ozean mit mehr Wasser, als es auf der Erde gibt. Fachleute gehen davon aus, dass Europa Leben beherbergen könnte.
„Hubble“ fotografiert nicht nur Planeten im Sonnensystem – in diesem Fall hat das Weltraumteleskop den Jupiter-Mond Europa ins Visier genommen. Europa ist etwas kleiner als der Erdmond, die Oberfläche ist von einer soliden Eiskruste bedeckt, die von Rissen durchzogen wird. Im Inneren befindet sich ein Ozean mit mehr Wasser, als es auf der Erde gibt. Fachleute gehen davon aus, dass Europa Leben beherbergen könnte. © ACKNOWLEDGMENT: NASA, NASA-JPL, University of Arizona
Das „Hubble“-Weltraumteleskop zeigt den Gasriesen Saturn und seine Ringe in voller Pracht. Die Farbe der Ringe verändert sich im Laufe der Beobachtungen immer wieder.
Das „Hubble“-Weltraumteleskop zeigt den Gasriesen Saturn und seine Ringe in voller Pracht. Die Farbe der Ringe verändert sich im Laufe der Beobachtungen immer wieder. © SCIENCE: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), IMAGE PROCESSING: Alyssa Pagan (STScI)
Auch der Planet Saturn hat Polarlichter, wie diese Aufnahmen des „Hubble“-Weltraumteleskops zeigen. Die Aurora verändert sich täglich, wie auf den drei Aufnahmen zu sehen ist. An manchen Tagen bewegen sie sich, während sie an anderen Tagen an Ort und Stelle bleiben. Die Polarlichter des Saturn werden hauptsächlich vom Sonnenwind angetrieben.
Auch der Planet Saturn hat Polarlichter, wie diese Aufnahmen des „Hubble“-Weltraumteleskops zeigen. Die Aurora verändert sich täglich, wie auf den drei Aufnahmen zu sehen ist. An manchen Tagen bewegen sie sich, während sie an anderen Tagen an Ort und Stelle bleiben. Die Polarlichter des Saturn werden hauptsächlich vom Sonnenwind angetrieben. © NASA, ESA, J. Clarke (Boston University), and Z. Levay (STScI)
Der Planet Neptun wurde ebenfalls vom „Hubble“-Teleskop beobachtet. Die Aufnahmen aus drei Jahren zeigen, dass die Helligkeit des Planeten zwischen 1996 und 2002 stark zugenommen hat – vermutlich, weil sich zahlreiche Wolken auf der südlichen Halbkugel bildeten.
Der Planet Neptun wurde ebenfalls vom „Hubble“-Teleskop beobachtet. Die Aufnahmen aus drei Jahren zeigen, dass die Helligkeit des Planeten zwischen 1996 und 2002 stark zugenommen hat – vermutlich, weil sich zahlreiche Wolken auf der südlichen Halbkugel bildeten. © NASA, L. Sromovsky, and P. Fry (University of Wisconsin-Madison)
Der Neptun wurde am 23. September 1846 vom deutschen Astronomen Johann Galle entdeckt. Er ist 4,5 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt – 30 Mal weiter als die Erde. Trotzdem hat „Hubble“ den Planeten fotografiert.
Der Neptun wurde am 23. September 1846 vom deutschen Astronomen Johann Galle entdeckt. Er ist 4,5 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt – 30 Mal weiter als die Erde. Trotzdem hat „Hubble“ den Planeten fotografiert. © NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Auch den Erdmond hat sich „Hubble“ angeschaut. Genauer: Den auffälligen Krater Tycho. Der Krater wurde vor etwa 100 Millionen Jahren von einem Asteroiden-Einschlag geschlagen. Die hellen Spuren, die vom Krater wegführen, entstanden durch Material, das durch den Einschlag in die Luft geschleudert wurde. Der Krater Tycho hat einen Durchmesser von 80 Kilometern.
Auch den Erdmond hat sich „Hubble“ angeschaut. Genauer: Den auffälligen Krater Tycho. Der Krater wurde vor etwa 100 Millionen Jahren von einem Asteroiden-Einschlag geschlagen. Die hellen Spuren, die vom Krater wegführen, entstanden durch Material, das durch den Einschlag in die Luft geschleudert wurde. Der Krater Tycho hat einen Durchmesser von 80 Kilometern. © NASA, ESA, and D. Ehrenreich (Institut de Planétologie et d‘Astrophysique de Grenoble (IPAG)/CNRS/Université Joseph Fourier)

Vorbeifliegender Stern: Kritik an der Studie über das mögliche Wanken unseres Sonnensystems

Die Forschenden haben zudem gezeigt, dass kleinere aufeinanderfolgende Störungen keinen großen Einfluss auf die Veränderung der Planetenumlaufbahnen haben. Solche kleinen Störungen sind unbedeutend und man habe sich auf die größeren interstellaren Begegnungen konzentriert. Jedoch haben sie dabei keine stellare Doppelsternsysteme berücksichtigt, obwohl die Hälfte aller bekannten Sterne Teil eines Doppelsternsystems sind. Die beiden Forscher gehen aber davon aus, dass die Stärke der Störung bei einem vorbeifliegenden Doppelsternsystem um zwei- bis 3,6-fach kräftiger ausfallen würde. 

Ebenfalls haben Brown und Rein die Auswirkungen auf Planet 9 vernachlässigt. Ein großer Teil der internationalen Forschungsgemeinde ist davon überzeugt, dass es außerhalb der Neptun- und der Pluto-Umlaufbahn einen weiteren Planeten gibt, der bisher aber noch nicht gefunden wurde. Ein stellarer Vorbeiflug würde laut den Forschenden die größte relative Veränderung bei Planet 9 bewirken. Jedoch vermuten sie, dass Planet 9 nur einen schwachen Einfluss auf den Rest des Sonnensystems haben wird.

 Zur Studie über die Auswirkung von stellaren Vorbeiflügen an unserem Sonnensystem

Die Studie mit dem Titel „On the long-term stability of the Solar System in the presence of weak perturbations from stellar flybys“ (aus dem Englischen: Langfristige Stabilität des Sonnensystems bei schwachen Störungen durch stellare Vorbeiflüge) erschien am 30. Juni 2022 in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die Simulationen wurden auf unser Sonnensystem beschränkt, auch wenn die analytischen Schätzungen allgemein sind und für jedes Planetensystem gelten sollen. Zukünftige Arbeiten sollten laut Brown und Rein die Auswirkungen schwacher stellarer Vorbeiflüge auf Exoplanetensysteme untersuchen.

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