Planeten
Wie unser Planetensystem entstand
Untersuchungen haben gezeigt, dass unsere Erde, die anderen Planeten und die Sonne rund 4,5 Milliarden Jahre alt sind. Dies bedeutet, dass das ganze Sonnensystem fast gleichzeitig aus einer riesigen Gas- und Staubwolke entstand. Diese Wolke verdichtete sich, drehte sich immer schneller und bildete wegen der Fliehkraft eine flache, pfannkuchenartige Scheibe. Senkrecht zu ihr floss weiteres Material in Form von Gasbündeln ab. Die Planeten entstanden, indem Moleküle und Staubteilchen viele Millionen Jahre lang zusammenstießen und sich zu immer größeren Körpern vereinigten. Die größeren Körper wurden in ihrem Inneren so heiß, dass sie aufschmolzen. Die schwereren Stoffe sanken zum Zentrum, die leichteren stiegen zur Oberfläche auf. Durch diese Differentiation bildete sich ein Schalenaufbau, wie er uns von der Erde her bekannt ist. Der Nebel, aus dem sich die Planeten bildeten, bestand vor allem aus Wasserstoff und Helium. Ein starker Strom elektrisch geladener Teilchen, der Sonnenwind, vertrieb die Reste der leichten Gase aus dem innersten Teil des Planetensystems. So setzen sich die inneren Planeten vor allem aus schwereren Gesteinen und Metallen zusammen. Die sonnenferneren Planeten behielten dagegen diese leichten Gase und bestehen deswegen vor allem aus einer Gasatmosphäre. Am Rande des Systems entstanden Körper aus Eis, darunter auch Kometen und kleine Eisplaneten. Noch über mehr als eine Milliarde Jahre nach der Entstehung der Planeten flogen unzählige Kleinkörper um die Sonne, die immer wieder mit den Planeten und deren Satelliten, wie etwa auch unserem Mond, zusammenstießen und dort Krater bildeten. Erst danach wurden diese Kollisionen seltener. Landschaften auf Planeten, die keine Aufsturzkrater zeigen, entstanden also erst in jüngerer Zeit.
Unsere Planetenfamilie
Unser Sonnensystem besitzt zwei verschiedene Planetentypen: in den äußeren Bereichen die vier Riesenplaneten mit mächtigen Gashüllen und innen die vier kleineren Gesteinsplaneten mit ihren dünneren Atmosphären. Ihnen ähnelt der Zwergplanet Pluto, der bis zur ersten wissenschaftlichen Definition des Planetenbegriffs durch die Internationale Astronomische Union (IAU) am 24. August 2006 als neunter Planet galt. Zu den Gesteinsplaneten gehört auch unsere Erde. Die anderen drei - Merkur, Venus und Mars - haben große Ähnlichkeit mit ihr. Trotzdem unterscheiden sie sich von der Erde durch ihre Temperatur und Atmosphäre so stark, dass sie vermutlich nie Leben hervorbringen konnten. Sie zeigen damit, wie herausragend die Stellung unserer Erde im Sonnensystem ist.
Aufbau des Planetensystems
Merkur ist der sonnennächste Planet mit einem Bahnradius von 0,39 AE (1 AE oder Astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung Erde-Sonne). Ein Merkurjahr, also seine Umlaufzeit um die Sonne, dauert 88 Erdentage. Seine Bahn ist exzentrischer als die der übrigen Planeten außer der Plutobahn. Venus ist fast so groß wie die Erde. Der Bahnradius beträgt 0,72 AE, die Umlaufzeit 225 Erdentage. Die Erde, unser Heimatplanet, hat einen Bahnradius von 1 AE oder 149 Millionen km und eine Umlaufzeit von 365 1/4 Tagen. Mars, der "Rote Planet", läuft in 1,52 AE mittlerem Abstand und in 1,88 Jahren um die Sonne. Zwischen Mars und Jupiter liegt die Zone der Asteroiden oder Kleinplaneten. Sie trennt das innere vom äußeren Planetensystem. Hinter dem Asteroidengürtel folgen die Riesenplaneten, die vor allem aus gasförmigem Wasserstoff und Helium bestehen und von Ringsystemen und zahlreichen Satelliten umkreist werden. Jupiter ist der größte Planet mit einem Äquatordurchmesser von 142 800 km. Er läuft in 11,86 Jahren in einem Abstand von 5,2 AE um die Sonne. Saturn gehört mit seinem riesigen Ringsystem zu den schönsten Planeten. Er benötigt zu einem Umlauf um die Sonne 29,5 Jahre und hat einen mittleren Abstand von 9,5 AE. Uranus ist der Erste mit einem Fernrohr entdeckte Planet. Er läuft in über 19 AE Abstand in 84 Jahren um die Sonne. Neptun ist 30-mal weiter als die Erde von der Sonne entfernt, die er in 165 Jahren umrundet. Der Zwergplanet Pluto umkreist die Sonne in 248 Jahren. Seine stark geneigte und exzentrische Bahn führt dazu, dass er sich davon rund 20 Jahre lang innerhalb der Neptunbahn bewegt. Unser heutiges Wissen über die Planeten wurde meist mit Hilfe von Raumsonden gewonnen. Sie entdeckten Ringe und zahlreiche Monde der äußeren Planeten, fotografierten aktive Vulkane auf fernen Monden und kartierten die Schwesterplaneten der Erde.
Ausgedörrter Merkur
Merkur ist eine ausgedörrte Welt, die nur etwa ein Drittel so weit von der Sonne entfernt ist wie die Erde. Die Nähe zur Sonne verursacht auf ihm so starke Gezeiteneffekte, dass die Rotation im Laufe der Zeit abgebremst wurde. Merkur braucht deshalb genau zwei Drittel seines 88 Erdentage dauernden Jahres, um sich einmal um seine Achse zu drehen. Auf den ersten Blick ähnelt Merkur stark unserem Mond. Beide sind von zahlreichen Aufschlagskratern geprägt. Merkur besitzt zwar nicht so viele Krater, dafür sind sie aber oft größer als die Mondkrater. Die Zahl von Kratern über 200 km Durchmesser ist beachtlich. Vielleicht hängt dies damit zusammen, dass die Brocken, die mit Merkur zusammenstießen, wegen der Sonnennähe viel größere Geschwindigkeiten hatten als beim Mond. Die meisten Krater auf den Planeten und Monden entstanden in den ersten 1-2 Milliarden Jahren der Geschichte des Sonnensystems. Die Merkuroberfläche wurde wahrscheinlich durch Vulkanismus nach der Entstehung der ersten Kratergeneration nochmals umgestaltet. Radioaktive Stoffe mögen sein Inneres aufgeheizt und aufgeschmolzen haben. Lavaströme stiegen an die Oberfläche und überfluteten die alten Landschaften. Später wurde Merkur von weiteren Körpern getroffen. Dabei erhielt er nochmals einen gewaltigen "Schlag", bei dem das 1300 km große Caloris-Becken entstand. Wegen seiner geringen Größe und der großen Sonnennähe hat Merkur fast keine Atmosphäre. Seine Oberflächentemperatur schwankt zwischen +470°C und -180°C.
Treibhausklima auf der Venus
Venus ist nur zwei Drittel so weit von der Sonne entfernt wie die Erde. Ihre Masse beträgt 80% der Erdmasse. Die 250 km dicke Kohlendioxid-Atmosphäre ist lebensfeindlich. Gelbliche Wolken reichen bis in 70 km Höhe. Man vermutet, dass Venus in ihrem Aufbau mit einem Kern, einem Mantel und einer Kruste der Erde ähnelt. Das Magnetfeld der Venus ist jedoch wesentlich schwächer. Im Gegensatz zu Merkur besitzt Venus eine wolkenreiche Atmosphäre. Sie besteht vor allem aus Kohlendioxid, dem Gas, das auf der Erde für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Auf der sonnennahen Venus ist dieser Effekt allerdings noch viel stärker. Am Venusboden erreicht die Temperatur weit über 400 °C. Auch der atmosphärische Druck ist 90-mal größer als auf der Erde. Die Venuswolken hindern uns an einem Blick auf die Oberfläche, doch kartierten Radargeräte, vor allem an Bord der Venussonde Magellan, unseren Nachbarplaneten fast vollständig. Die Venusoberfläche wird geprägt von zahlreichen vulkanischen Formationen und Aufschlagskratern. Offenbar wurde sie vor etwa 300 bis 500 Millionen Jahren völlig umgestaltet, da man keine älteren Meteoritenkrater entdecken kann. Dies mag die letzte große vulkanische Epoche auf diesem Planeten gewesen sein, bei der die Oberfläche von Lavaströmen weitgehend überflutet wurde. Bei der nachfolgenden Abkühlung bildeten sich Verwerfungen. Heute gibt es vermutlich keinen aktiven Vulkanismus mehr auf Venus.
Unser Heimatplanet
Die Erde zeigt sich vom Weltraum aus gesehen durch ihre Ozeane und ihre Atmosphäre als "Blauer Planet". Die wichtigste Informationsquelle über ihren inneren Aufbau sind jedoch die durch Erdbeben ausgelösten Schockwellen. In jüngster Zeit wurde der Mantel mit einer noch recht neuen Untersuchungsmethode erforscht, der seismischen Tomografie, einem der Computer-Tomografie ähnlichen Verfahren. Aus der Geschwindigkeit der Erbebenwellen können die Unterschiedlichen Dichten und Temperaturen im Erdinnern bestimmt werden. Der innere Erdkern aus festem Eisen und Nickel hat einen Durchmesser von 2500 km. Darüber folgen der flüssige äußere Kern bis 3500 km Abstand vom Erdmittelpunkt und der Erdmantel, der bis durchschnittlich 33 km tief unter die Erdoberfläche reicht. Der untere Erdmantel ist eher fest, der obere verformbar.
Die verschwundenen Ozeane des Mars
Der vierte Planet, Mars, ist gut halb so groß wie die Erde. Seine Masse beträgt 11% der Erdmasse. Mars besitzt vermutlich einen etwa 2900 km dicken Eisenkern, darüber einen 1800 km dicken geschmolzenen Mantel und eine 150 km dicke Gesteinskruste. Die rötliche Oberfläche zeigt auf der Südhalbkugel kraterreiche Hochländer, auf der Nordhalbkugel tiefer gelegene Landschaften, aus denen die Tharsis-Region mit den größten Vulkanen im Sonnensystem herausragt. Dort erhebt sich auch der gewaltige Olympus Mons. Er ist ein alter Vulkan und mit 26 000 Metern der höchste im ganzen Planetensystem. Trockene Flusstäler belegen, dass Mars früher flüssiges Wasser besaß. Heute gibt es Wasser fast nur noch als Eis im Boden und auf den Polkappen. Man vermutet, dass Vulkanausbrüche früher das im Boden enthaltene Eis aufgeschmolzen haben. Flüsse bildeten sich und sammelten sich in den tiefer gelegenen Gebieten. So entstand vielleicht der Oceanus Borealis, der große Teile der Nordhalbkugel bedeckte. Auf der Südhalbkugel bildete sich eine große Eiskappe. Als die Vulkanausbrüche nachließen, wurde das Wasser wieder als Eis in den Gesteinen gebunden. So entstand die trockene Oberfläche des Mars, wie wir sie heute sehen.
Leben auf dem Mars?
Auch Mars dürfte früher eine dichte Atmosphäre gehabt haben. Sie entwich aber wegen der geringen Schwerkraft allmählich in den Weltraum. Heute beträgt der Druck am Marsboden weniger als ein Hundertstel des irdischen Luftdrucks. Früher glaubte man, Mars ähnele der Erde, und spekulierte über Leben auf ihm. Inzwischen wurden mit Marssonden Bodenproben direkt auf dem Planeten untersucht, um nach Lebensspure zu suchen. Die Ergebnisse sind umstritten. Hinzu kamen einige unter anderem in der Antarktis gefundene, vom Mars stammende Meteoriten. Bei einem 1,3 Milliarden Jahre alten Marsmeteoriten, der 1995 untersucht wurde, fand man organische Moleküle, darunter aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, die auf eine einfache vorbiologische Chemie hinweisen könnten. Doch bisher konnten auch keine mikroskopisch winzigen Lebewesen auf dem Roten Planeten entdeckt werden. Vielleicht müssen Astronauten klären, ob es auf dem Mars Leben gab oder sogar noch gibt.
Geheimnisvolle Gasgiganten
Außerhalb der Marsbahn und des Asteroidengürtels laufen die vier Gasriesen um die Sonne - Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Sie sind um ein Vielfaches größer als die Erde und bestehen aus mächtigen Atmosphären mit verhältnismäßig kleinen Gesteinskernen. Am größten ist Jupiter mit einem Durchmesser von 143 000 km. Seine Atmosphäre wird von Wolkenwirbeln wie dem berühmten Großen Roten Fleck durchzogen. In ihm hätte die Erde bequem Platz. Der zweitgrößte Planet ist Saturn mit seinem prachtvollen Ringsystem. Uranus und Neptun sind blaue und grüne Planeten, beide etwa vier Mal größer als die Erde. Auf Grund ihrer Entfernung von der Sonne war der Sonnenwind, der bei der Entstehung der Planeten noch stärker war als heute, nicht mehr im Stande, die leichten Wasserstoff- und Heliumgase zu vertreiben. So sammelten diese Planeten um ihre kleinen Gesteinskerne mächtige Gashüllen an. Ihre mittlere Dichte ist daher viel kleiner die der Erde und liegt bei etwa 1g/cm3, der Dichte von Wasser. Auffällig ist die starke Achsenneigung des Uranus. Seine Drehachse steht nicht wie bei den meisten Planeten fast senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist um 98° geneigt. Uranus "rollt" sozusagen auf seiner Bahn dahin. Möglicherweise wurde er einmal von einem anderen Himmelskörper getroffen, wobei die Achse kippte.
Die Ringsysteme der äußeren Planeten
Das Ringsystem des Saturn wurde bereits im 17. Jahrhundert mit den ersten Teleskopen beobachtet, aber erst durch den Einsatz von Raumsonden konnte man sie besser verstehen. Einige Ringe mit dazwischenliegenden Teilungen sind von der Erde aus zu erkennen. Nahaufnahmen zeigen, dass sich diese Ringe wiederum aus Tausenden schmaler Ringe zusammensetzen, die aus Eis- und Gesteinsbrocken bestehen, von mikroskopisch kleinen Teilchen bis zur Größe von einigen Metern. Seltsam sind auch speichenartige Muster in den Ringen, die eigentlich schnell "verwischen" müssten, da die Ringteilchen innen schneller laufen als außen. Die Ringe von Uranus und Neptun sind nicht so auffällig und enthalten nur wenige Teilchen. Bei Neptun kommen einzelne Ringbögen vor, so dass die Ringe teilweise fast unterbrochen erscheinen. Noch weniger eindrucksvoll sind die Jupiterringe. Sie bestehen nur aus dünn verteiltem Staub. Die Ringe der Riesenplaneten sind möglicherweise dadurch entstanden, dass ihnen einmal ein anderer Körper, vielleicht einer ihrer Satelliten, zu nahe kam. Durch die unterschiedlich starken Gravitationskräfte an der dem Planeten zugewandten und abgewandten Seite könnte er zerrissen worden sein. Durch weiter Zusammenstöße der Bruchstücke könnten sich dann die zahllosen Teilchen der Planetenringe gebildet haben.
Der Zwergplanet Pluto
Erst im Jahr 1930 wurde der Zwergplanet Pluto entdeckt, der bis zur neuen Planetendefinition durch die IAU am 24. August 2006 als äußerster und neunter Planet galt. Er ist viel kleiner als die anderen Planeten und die Astronomen waren sich schon lange nicht einig, ob man ihn überhaupt noch als Planeten bezeichnen sollte. In den letzten Jahren entdeckte man mehrere kleine, wahrscheinlich eisartige Himmelskörper im Bereich der Plutobahn. Schon früher vermutete Gerard Kuiper dort einen Ring zahlloser Kometenkerne, die nichts anderes als mit Staub durchsetzte Eisklumpen sind. Der Zwergplanet Pluto gilt heute nur noch als ein großes Exemplar in diesem so genannten Kuiper-Gürtel und nicht mehr als "echter" großer Planet. Seinen Planetenstatus hat Pluto letztlich verloren, weil er nicht das dominierende Objekt seiner Umlaufbahn ist, d. h. diese nicht von weiteren Objekten "geräumt" hat. Hinter dem Kuiper-Gürtel dürften in noch größerer Entfernung in der "Oort’schen Wolke" Milliarden weitere Kometen vorkommen.
Pluto ist von der Sonne am weitesten entfernt, und von ihm ist am wenigsten bekannt. Er umkreist die Sonne in 248 Jahren. Seine stark geneigte und exzentrische Bahn führt dazu, dass er sich davon rund 20 Jahre lang innerhalb der Neptunbahn bewegt. Einen kleinen Wissenssprung gab es erst im Jahr 1978, als auf mehreren Plutobildern eine "Ausbuchtung" erkannt wurde. Daraus lässt sich schließen, dass Pluto einen verhältnismäßig großen Mond mit einer Umlaufzeit von etwa 6,4 Erdentagen besitzt. Dies entspricht seiner eigenen Rotationsdauer. Auf Grund der regelmäßigen gegenseitigen Bedeckung der beiden Körper ergeben sich Helligkeitsschwankungen, aus denen man ihre Abmessungen ermitteln kann. Demnach beträgt Plutos Durchmesser rund 2390 km und der seines Mondes Charon etwa 1186 km. Plutos Masse beträgt nur 1/400 der Erdmasse, Charons Masse 1/10 davon. Es wird vermutet, dass Pluto einen Silikatkern mit einer Dichte von rund 2 g/cm3 und einem Radius von etwa 800 km besitzt sowie eine Oberfläche aus Methaneis. Durch die Bedeckung eines Stern durch Pluto ließ sich erkennen, dass er sogar eine Atmosphäre besitzt, die bis in eine Höhe von 3200 km reicht. Sie besteht vorwiegend aus Methan. 2005 wurden mit dem Hubble-Weltraumteleskop zwei weitere, kleinere Plutomonde mit den vorläufigen Bezeichnungen S/2005 P1 und S/2005 P2 entdeckt. Im Juni 2006 erhielten sie von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) die Namen "Hydra" und "Nix". Sie umkreisen Pluto in einer Entfernung von rund 65 000 bzw 50 000 km und besitzen je nach Albedo Durchmesser zwischen 52 und 160 km.
Weitere Zwergplaneten im Sonnensystem sind seit 24. August 2006 das transneptunische Objekt (TNO) Eris, das einen Durchmesser von rund 2400 km besitzt, der bereits 1801 von G. Piazzi entdeckte Ceres, das mit Abmessungen von 960×932 km größte Objekt des Asteroidengürtels zwischen Mars und Jupiter, der bislang als Asteroid galt sowie die beiden Kuiper-Gürtel-Objekte Makemake (Durchmesser 1800 km) und Haumea (2200×1100 km).
Auch andere Sterne haben Planeten
Die Sonne ist nur einer unter Hunderten Milliarden Sternen der Milchstraße. Viele Planetensysteme warten auf ihre Entdeckung. Leider sind Planeten so lichtschwach, dass sie auch den größten Teleskopen lange Zeit verborgen blieben. Es gibt aber indirekte Methoden, um sie aufzuspüren. Da Sonne und Planeten um einen gemeinsamen Schwerpunkt laufen, schwankt auch die Sonne um diesen Punkt. So könnten winzige Schwankungen anderer Sterne auf Planeten hinweisen. Staubhüllen um Protosterne, aus denen Planeten entstehen könnten, fand man beispielsweise auf Infrarotaufnahmen des Sterns Beta Pictoris und mit dem Hubble-Weltraumteleskops im Orionnebel. 1995 entdeckten die amerikanischen Astrophysiker Geoffrey Marcy und Paul Butler Hinweise auf Planeten um 70Virginis im Sternbild Jungfrau und um 47Ursae Majoris im Großen Bär. Inzwischen (Stand November 2009) sind 405 extrasolare Planeten (Exoplaneten) in 343 Planetensystemen bekannt, und neue Generationen von Forschungssatelliten und Teleskopen werden detailliertere Beobachtungen ermöglichen. 2005 veröffentlichten Astronomen aus Jena und Hamburg das erste direkt aufgenommene Foto eines Exoplaneten. Das mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) im Bereich der infraroten Strahlung aufgenommene Bild zeigt den Begleiter des rund 400 Lichtjahre (1 Lichtjahr sind rund 9,46 Billionen Kilometer) entfernten Sterns GQ Lupi im Sternbild Wolf (Lupus) am Südhimmel als kleinen Lichtpunkt.
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