Astronomie: Geminiden erreichen ihr Maximum
Hinweis zum Update: Der Artikel über die Ergebnisse der Forschungsgruppe ist schon einmal erschienen, am 2. Juli 2023. Anlässlich des Maximums haben wir ihn aktualisiert.
Die Sternschnuppen der Geminiden erreichen in der kommenden Nacht ihren Höhepunkt. Stündlich können sich bis zu 100 Sternschnuppen am Nachthimmel zeigen. Über den Meteorstrom der Geminiden hatte ein Forschungsteam jüngst Neues herausgefunden – nämlich, dass er vor etwa 2.000 Jahren durch eine galaktische Katastrophe entstanden ist. Dafür haben sie die Daten einer Raumsonde genutzt.
Eigentlich untersucht die Raumsonde Parker Solar Probe die Sonne, erst vor Kurzem hat ein Forschungsteam eine Studie zum Entstehungsprozess des schnellen Sonnenwindes herausgebracht . Doch auf ihrer Reise um die Sonne flog die Raumsonde der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa auch durch den Schweif der Geminiden.
Anhand dieser und anderer Untersuchungen hat ein Forschungsteam ein Modell erstellt, das die Entstehungsgeschichte des Himmelsphänomens erklärt. Vermutlich entstanden die Geminiden durch ein heftiges Ereignis wie eine Explosion oder eine Kollision. Um das Mysterium der wiederkehrenden Sternschnuppenschauer zu lüften, hat Golem.de auch bei dem Sonnenforscher Volker Bothmer und der Astronomin Carolin Liefke nachgefragt.
Die Geminiden und der Asteroid Phaethon
Bei den Geminiden handelt es sich um einen wiederkehrenden Meteorstrom, der den Höhepunkt der stündlichen Sternschnuppen-Erscheinungen meist um den 14. Dezember herum erreicht. Das passiert, wenn die Erde durch den Schweif des Asteroiden (3200) Phaethon auf seiner Umlaufbahn um die Sonne wandert.
Phaethon ist ein Gesteins- und Metallbrocken aus der Gruppe der Apollo-Asteroiden. Sie gehören zu den erdnahen Asteroiden, die die Bahnebene der Erde kreuzen können. Dies wiederum erhöht das Einschlagsrisiko, wobei es in Fachkreisen als eher unwahrscheinlich gilt, dass die Erde in den nächsten hundert – vielleicht sogar Tausenden(öffnet im neuen Fenster) – Jahren von einem zumindest teilweise gefährlichen Asteroiden getroffen wird.
Wie entstehen Sternschnuppen?
Oft ist zu lesen, dass Sternschnuppen entstehen, weil Gesteins- und Staubteilchen beim Eindringen in die Erdatmosphäre verglühen. Doch diese Aussage ist ungenau. Carolin Liefke vom Haus der Astronomie in Heidelberg kann die Entstehung von Sternschnuppen für Golem.de genau erklären: "Beim Eindringen in die Atmosphäre werden sie abgebremst, dadurch aufgeheizt und verdampfen dann. Was wir als Sternschnuppe sehen, sind allerdings hauptsächlich Luftmoleküle, die von den Staubteilchen ionisiert werden."
Laut der Astronomin werden dabei die Elektronen von den Atomen getrennt. Wenn das Atom danach wieder ein Elektron einfängt, wird Energie frei, die als Licht ausgesendet wird. Auf der Erde sehen wir eine Leuchterscheinung am Nachthimmel.
Die Geminiden dürfte es eigentlich nicht geben
Die meisten Meteorschauer werden laut der Nasa von Kometen verursacht, die aus Eis und Staub bestehen. Sobald diese Kometen sich der Sonne nähern, werden sie aufgeheizt. Das Eis verdampft teilweise, wodurch ein kleiner Teil des Kometen freigesetzt wird und sich eine Staubspur bildet. Durch diesen sich wiederholenden Prozess füllt sich die Kometenbahn langsam mit Material, das einen Meteorschauer erzeugen kann, wenn die Erde den Strom auf ihrer Umlaufbahn durchquert.
Doch genau das dürfte es bei Phaethon nicht geben, denn es handelt sich nicht um einen Kometen. "Wirklich seltsam ist, dass wir wissen, dass Phaethon ein Asteroid ist, er aber, während er an der Sonne vorbeifliegt, eine Art temperaturbedingte Aktivität zu haben scheint. Das ist bei den meisten Asteroiden nicht der Fall" , erklärte Jamey Szalay in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) . Er ist Forscher an der Princeton University und einer der Hauptautoren der kürzlich erschienenen Studie.
"Asteroiden sind wie kleine Zeitkapseln für die Entstehung unseres Sonnensystems. Sie entstanden, als sich unser Sonnensystem bildete, und das Verständnis ihrer Zusammensetzung zeigt uns einen weiteren Teil der Geschichte" , sagt Szalay.
Bester direkter Blick auf die Staubkörner der großen Staubwolke
Bei seiner Forschungsarbeit sollten die Struktur und das Verhalten der großen Staubwolke untersucht werden, die durch das innerste Sonnensystem wirbelt. Diese Staubformation wird auch Zodiakalwolke genannt. Laut Szalay besitzt jedes Sternsystem eine solche Zodiakalwolke(öffnet im neuen Fenster) . Mit dieser Wolke im innersten Sonnensystem soll auch der Asteroid (3200) Phaethon bei seiner Reise um die Sonne zusammengestoßen sein.
Bei einer solchen Kollision entsteht eine große Anzahl an Beta-Meteoroiden, die nicht in beliebige Richtungen fliegen, sondern auf bestimmten Bahnen gebündelt werden. "Das Spannende an diesem Konzept ist, dass es sich um einen grundlegenden Prozess handelt, der nicht nur bei jedem Meteorstrom in unserem Sonnensystem, sondern in unterschiedlichem Ausmaß bei jedem Meteorstrom in jeder Staubwolke im Universum abläuft" , erklärte Szalay bereits im September 2021(öffnet im neuen Fenster) .
Was ist die Zodiakalwolke?
Zur Frage, was eine Zodiakalwolke und was das Zodiakallicht ist, hat uns Volker Bothmer weitergeholfen. Er war zwar an der aktuellen Studie nicht beteiligt, ist aber einer der weltweit führenden Sonnenforscher. Bothmer ist Professor an der Universität Göttingen und Mitarbeiter im Nasa-Team für die wissenschaftliche und technologische Definition der Sonnensonde (NASA Solar Probe Science and Technology Definition Team).
"Etwa eine Stunde nach Sonnenuntergang ist unter geeigneten Voraussetzungen ein schwacher Lichtschein am Horizont zu erkennen, dessen größte Helligkeit um die Ebenen der Ekliptik herum auftritt," sagt er. "Am einfachsten erkennt man die ungefähre Lage der Ekliptik als Verbindungslinie ausgehend von der untergegangenen Sonne zum Mond oder weiteren Planeten wie der Venus. Dieser Lichtschein wird als Zodiakallicht bezeichnet."
Das Zodiakallicht werde durch Streuung von Sonnenlicht an kleinen Staubteilchen im interplanetaren Raum hervorgerufen. "Die Größe der Staubteilchen, die den Lichtschein hervorrufen, beträgt etwa 1 bis 1.000 Mikrometer, viel mehr Teilchen haben Größen unter einem Mikrometer" , erörtert Bothmer.
Diese Teilchen haben Geschwindigkeiten von einigen zehn Kilometern pro Stunde. "Die Staubteilchen sind bei der Entstehung des Sonnensystems und der Bildung der Planeten vor langer Zeit entstanden und werden durch von Kometen und Asteroiden abstammendes Material genährt. Je nach Geschwindigkeit und Masse bewegen sich die Teilchen nahe der Ekliptik in Bahnen um die Sonne."
Parker Solar Probe liefert die Erklärung für die Geminiden
Dank der Raumsonde Parker Solar Probe konnte das Forschungsteam den bisher besten direkten Blick auf die Staubkörner werfen, die von vorbeiziehenden Kometen und Asteroiden stammen. Dabei ist Parker nicht für die Suche nach Staubpartikeln ausgelegt. Die Sonde besitzt keinen speziellen Staubzähler an Bord, der genaue Daten über Masse, Zusammensetzung, Geschwindigkeit und Richtung der Körner liefern könnte.
Die Partikel prasseln jedoch auf die Sonde ein und die Hochgeschwindigkeitseinschläge erzeugen Plasmawolken – und damit elektrische Signale, die von den Sensoren des Fields-Instruments der Sonde aufgefangen werden. Dieses Instrument misst die magnetischen und elektrischen Felder in der Nähe der Sonne. Anhand dieser Daten modellierte das Forschungsteam drei mögliche Entstehungsszenarien des Geminidenstroms.
Drei Modelle, doch das heftigste ist am wahrscheinlichsten
Die drei Modelle verglich das Team mit bereits bestehenden Modellen, die nach Beobachtungen von der Erde aus entworfen wurden. Zudem gehe aus älteren Untersuchungen hervor, "dass sich der Strom in einem möglicherweise katastrophalen Ereignis gebildet hat, das in relativ kurzer Zeit vor etwa 2.000 Jahren eine große Menge an Masse abwarf" , heißt es in der aktuellen Studie.
Die kometenähnliche Aktivität von Phaethon würde nicht ausreichen, um die Geminiden aufrechtzuerhalten. Um die Ungereimtheiten aufzudecken, betrachtete die Forschungsgruppe drei Entstehungsszenarien für den Geminidenstrom:
- Alle Teilchen wurden am Perihel (dem sonnennächsten Punkt) von Phaethon mit einer Geschwindigkeit von null relativ zum Mutterkörper als Basismodell für eine Vergleichsbasis freigesetzt.
- Im zweiten Modell wurden alle Teilchen am Perihel von Phaethon mit einer Geschwindigkeitsdispersion in der Größenordnung von einem Kilometer pro Stunde relativ zum Mutterkörper freigesetzt, um ein heftiges Entstehungsereignis zu simulieren.
- Das dritte Szenario ist ein elementares Kometenmodell, bei dem die Teilchen während einer einzigen Umlaufbahn von Phaethon mit einer Geschwindigkeit freigesetzt werden, die umgekehrt proportional zum Abstand von Phaethon zur Sonne ist.
Das letzte Modell, das Kometenmodell, galt als am unwahrscheinlichsten und wurde von dem Team ausgeschlossen. Denn die simulierte Umlaufbahn stimmte nicht mit der tatsächlichen Bahn der Geminiden überein, die von der Raumsonde erfasst wurde. "Außerdem kreist der Strom etwas außerhalb seines Mutterkörpers, wenn er der Sonne am nächsten ist, was sich nicht so einfach erklären lässt" , erklärte Wolf Cukier, der zwar noch Student in Princeton ist, aber die Studie zusammen mit Szalay verfasst hat.
Anhand der Modelle konnte das Team einen zeitlich ausgedehnteren Mechanismus zur Kometenbildung ausschließen. Am wahrscheinlichsten erscheint den Forschern, dass die Geminiden durch eine heftigere, katastrophale Zerstörung von Körpern entstanden sein könnten, die sehr nahe an der Sonne vorbeizogen. Eine Hochgeschwindigkeitskollision mit einem anderen Körper oder eine Gasexplosion wären nur zwei dieser Möglichkeiten.
Doch was bedeutet diese Entdeckung für die Ursachen der Entstehung von Meteoritenströmen? Ein solcher Strom wird mit dem Perseiden beispielsweise vom 17. Juli bis 24. August zu beobachten sein, wobei ihr stärkster Sternschnuppenausbruch um den 13. August erfolgen wird. "Wir können basierend auf dieser Entdeckung die Entstehung und Verteilung der Staubschweife von Kometen und Asteroiden im Sonnensystem erklären" , sagt Bothmer.
Die Zodiakalwolken sind für uns auf der Erde aber keine Gefahr. "Ihre anziehende Wirkung ist zu gering im Vergleich zu den Planeten und Himmelskörpern wie Kometen und Asteroiden" , sagt Bothmer. Aus diesem Grund werden sie auch keine anderen Objekte im Weltall umlenken können.
Zur aktuellen Studie
Die Studie ist am 15. Juni 2023 in der Fachzeitschrift Planetary Science Journal erschienen und heißt Formation, Structure, and Detectability of the Geminids Meteoroid Stream(öffnet im neuen Fenster) (Entstehung, Struktur und Nachweisbarkeit des Geminiden-Meteoridenstroms).
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