Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/astronomie-die-lange-suche-nach-planet-x-1601-118787.html    Veröffentlicht: 29.01.2016 12:01    Kurz-URL: https://glm.io/118787

Astronomie

Die lange Suche nach Planet X

Mehr als 200 Jahre haben Forscher nach ihm gesucht, und noch immer ist er ein Rätsel: Planet X. Die Geschichte einer aufregenden Reise, die noch nicht am Ziel ist, aber jede Menge spannende Entdeckungen gebracht hat.

Die Geschichte der Suche nach unbekannten Planeten im äußeren Sonnensystem reicht weiter zurück, als man vielleicht denken mag. Sie beginnt am 13. März 1781. Da beobachtete der Astronom Wilhelm Herschel im englischen Bath den Himmel. Er wollte die Position der Sterne vermessen, um so Hinweise auf die Bewegung der Erde um die Sonne zu finden.

Man wusste zwar schon, dass sich die Erde um die Sonne bewegt, aber den daraus resultierenden Parallaxen-Effekt hatte man noch nicht gemessen. Bei dieser Suche entdeckte Herschel einen Lichtpunkt, der auf seinen Sternenkarten nicht verzeichnet war. Vier Tage später war der Lichtpunkt immer noch da; hatte sich in der Zwischenzeit aber bewegt. Herschel schloss daraus, dass er einen neuen Kometen entdeckt hatte.

Ein paar Wochen später war allerdings klar: Es war kein Komet, den Herschel da gefunden hatte, sondern ein großer Himmelskörper auf einer fast kreisförmigen Umlaufbahn außerhalb der Bahn des Saturns. Das war eine Sensation, denn man ging damals davon aus, dass die mit bloßem Auge sichtbaren Planeten - Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn - schon das komplette Sonnensystem ausmachten. Mit Zuwachs rechnete niemand. Und trotzdem war da auf einmal ein neuer Planet, der - nach einigen recht interessanten Diskussionen - den Namen Uranus bekam.

Die Geschichte von Planet X beginnt mit Uranus

Uranus wurde gefunden, obwohl niemand nach ihm gesucht hatte. Aber seine Entdeckung markiert den Beginn der gezielten Suche nach weiteren Planeten. Uranus ist kein "Planet X", aber dessen Geschichte beginnt hier.

Denn als die Astronomen den neuen Planeten beobachteten, stellten sie fest, dass seine Bahn nicht den theoretischen Vorhersagen folgte. Das Gravitationsgesetz von Isaac Newton ermöglicht es ja, die gegenseitige Beeinflussung von Sonne und allen Planeten zu berechnen und daraus zukünftige Positionen abzuleiten. Normalerweise klappte das recht gut - die anderen Planeten bewegten sich genau so, wie die Berechnungen es vorhersagten. Nur bei Uranus gab es ständig Abweichungen. Zuerst dachte man noch, dass Ungenauigkeiten bei der Beobachtung der Grund dafür wären, aber auch mit genaueren Daten verschwanden die Abweichungen nicht.

Die meisten Astronomen der damaligen Zeit waren schließlich überzeugt, dass ein weiterer unbekannter Planet die Ursache sein müsste. Wenn sich außerhalb der Bahn des Uranus noch ein großer Himmelskörper befände, würde dieser ebenfalls die Bewegung der anderen Planeten beeinflussen. Und vor allem die Bewegung des Uranus. Würde man diesen hypothetischen Himmelskörper kennen, könnte er in den Berechnungen berücksichtigt werden und man bekäme endlich die richtigen Ergebnisse.

Planet X: gesucht, gefunden

Dieser "Planet X" beschäftigte die Astronomen natürlich sehr. Der Engländer John Couch Adams und der Franzose Urbain LeVerrier probierten, anhand der vorhandenen Beobachtungen zu berechnen, welche Eigenschaften Planet X haben müsste, um genau die Abweichungen bei Uranus zu produzieren, die man sehen konnte.

Die Geschichte dieser Suche ist Stoff für ein ganzes Buch (das auch geschrieben wurde: Es heißt The Neptune File, ist auf Deutsch unter Die Akte Neptun erhältlich und sehr lesenswert). An ihrem Ende stand jedenfalls einer der Höhepunkte der Astronomie: die Entdeckung eines neuen Planeten, und zwar mit Ansage!

Am 23. September 1846 richtete der deutsche Astronom Johann Gottfried Galle sein Teleskop genau an die Stelle des Himmels, die Urbain LeVerrier berechnet hatte, und fand dort einen Planeten. Er bekam den Namen Neptun und eigentlich könnte die Geschichte des Planeten X nun zu Ende sein. Er wurde vorhergesagt, gesucht und gefunden.

Neptun ist nicht Planet X ...

Aber als die Astronomen in den nächsten Jahrzehnten Uranus und Neptun beobachteten, stellten sie fest, dass immer noch nicht alles so lief, wie es sollte. Auch bei Berücksichtigung des neuen Himmelskörpers gab es weiterhin Abweichungen zwischen Theorie und Beobachtung. Da musste noch etwas sein; ein weiterer Planet X, dessen Einfluss nicht einberechnet worden war. Also ging die Suche weiter.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fand sie hauptsächlich in den USA statt, und zwar in der Sternwarte, die der reiche Geschäftsmann Percival Lowell gegründet hatte. Er wollte den fehlenden neunten Planeten unseres Sonnensystems unbedingt finden, und er war es auch, der ihm den Namen "Planet X" gegeben hat (entgegen der populären Meinung stand das "X" hier nie für die Zahl 10 sondern immer - so wie in der Mathematik - ganz allgemein für etwas Unbekanntes). Und tatsächlich war man erfolgreich: Clyde Tombaugh, der nach Lowells Tod dessen Arbeit weiterführte, entdeckte am 18. Februar 1930 einen unbekannten Himmelskörper, der weiter entfernt seine Runden um die Sonne zog als alle anderen.

Er bekam den Namen "Pluto" und wurde sofort als neuer Planet in die Familie des Sonnensystems aufgenommen. Eine vielleicht etwas überstürzte Entscheidung, denn schnell stellte sich heraus, dass Pluto viel, viel kleiner war als die bisherigen Planeten. Eigentlich zu klein, um die Bahnen von Uranus und Neptun ausreichend beeinflussen zu können. Auch Pluto konnte nicht der lang gesuchte Planet X sein - und erst im Jahr 1989 stellte sich heraus, dass das auch gar nicht nötig war.

... oder doch?

Da flog die Raumsonde Voyager 2 an Neptun vorbei. Dabei erhielt man nicht nur das erste Mal detaillierte Bilder des Planeten, sondern konnte auch dessen Masse so genau bestimmen wie nie zuvor. Der Astronom Myles Standish nutzte diese neuen Daten, um alles noch mal von Anfang an durchzurechnen. Und stellte fest: Die Abweichungen in der Bahn des Uranus verschwinden, wenn man in den Rechnungen die neu bestimmte Masse des Neptuns einsetzte!

Es braucht also gar keinen weiteren Planet X! Das Sonnensystem, so wie es damals bekannt war, funktioniert wunderbar. Die beobachtete Bewegung aller Himmelskörper stimmt endlich mit den Berechnungen überein. Im Jahr 1989 schien die Sache mit den hypothetischen Planeten im äußeren Sonnensystem also zur Zufriedenheit aller Astronomen erledigt zu sein. Aber nur drei Jahre später gab es eine neue Entdeckung, die wieder alles durcheinanderbrachte.

Zwischenspiel im Kuipergürtel und das Verschwinden eines Planeten

Am 30. August 1992 entdeckten David Jewitt und Jane Luu den Himmelskörper mit dem Namen "1992 QB1". Er befand sich noch weiter von der Sonne entfernt als Pluto und war der erste Himmelskörper, der in dieser fernen Region gefunden wurde. In einigen Medien wurde das damals als die Entdeckung eines "zehnten Planeten" gefeiert. Den Astronomen war aber von Anfang an klar, dass hier "nur" ein Asteroid gefunden worden war. Sein Durchmesser beträgt ungefähr 167 Kilometer, was auch bei sehr viel Enthusiasmus nicht ausreicht, um aus dem fernen Felsbrocken einen Planeten zu machen.

Das bedeutet aber nicht, dass die Entdeckung von 1992 QB1 keine außergewöhnliche und wichtige Sache war. Schon 1943 stellte der irische Astronom Kenneth Edgeworth eine Theorie auf, nach der sich außerhalb der Neptun-Bahn ein großer Asteroidengürtel befinden könnte. Eine ähnliche Theorie entwarf auch 1951 der Amerikaner Gerard Kuiper. Fern der Sonne sollten sich jede Menge Objekte befinden, die in der Entstehungsphase der Planeten vor 4,5 Milliarden Jahren übrig blieben. So wie in den inneren Regionen ballte sich im jungen Sonnensystem auch dort draußen der Staub zu Fels- und Eisbrocken diverser Größen zusammen. Aber weit entfernt von der Sonne bewegten sich die Objekte langsamer; es gab weniger Kollisionen und die Himmelskörper konnten nur langsam wachsen.

Die Entdeckung des Kuipergürtels

Bis auf wenige Ausnahmen sind die Asteroiden im inneren Sonnensystem alle verschwunden; sie wuchsen zu Planeten heran oder wurden von den herangewachsenen Planeten zerstört, in die Sonne oder aus dem Sonnensystem hinaus geschleudert. Im äußeren Sonnensystem aber blieben sie, was sie waren. Sie schafften es nicht, große Planeten zu bilden.

Eine plausible Hypothese, die nun durch die Entdeckung von Jewitt und Luu bestätigt wurde. Mit 1992 QB1 hatten sie den ersten Asteroiden des Kuipergürtels (So wird diese Ansammlung von Asteroiden meistens genannt - "Edgeworthgürtel" wäre eigentlich der gerechtere Name) entdeckt!

Obwohl: Wenn man genau sein möchte, dann handelt es sich um das zweite Objekt im Kuipergürtel. Denn in den folgenden Jahren entdeckten die Astronomen immer weitere Asteroiden des Kuipergürtels. Einige davon noch weiter entfernt; einige aber auch direkt dort, wo sich Pluto befindet. Schon 1993 war eine ganze Gruppe von Asteroiden bekannt, die sich um Pluto versammelt hatte (die sogenannten "Plutinos"), und damals begannen die Astronomen auch darüber nachzudenken, ob es eigentlich noch angebracht ist, Pluto als Planeten zu bezeichnen.

Was ist Pluto?

Mit einem Durchmesser von knapp 2.400 Kilometern war Pluto zwar recht groß für einen Asteroiden - aber auch recht klein für einen Planeten. Außerdem war seine Bahn ziemlich seltsam und sah eigentlich eher so aus, wie man es von den Bahnen der Asteroiden gewohnt war. Pluto war ein vergleichsweise kleiner Himmelskörper, der sich auf einer asteroidenähnlichen Bahn gemeinsam mit vielen anderen Asteroiden inmitten eines Asteroidengürtels um die Sonne bewegt. Der Schluss lag nahe: Pluto ist einfach "nur" ein großer Asteroid; vielleicht sogar der größte Asteroid im Kuipergürtel.

Die Situation war vergleichbar mit der zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Auch da war man auf der Suche nach einem unbekannten Planeten; auch da fand man einen passenden Himmelskörper; auch da stellte man fest, dass die Suche unter falschen Voraussetzungen stattgefunden hatte und es eigentlich gar keinen Grund dafür gab. Und auch da stellte sich der Planet später als großer Asteroid heraus. Damals ging es um Ceres.

Er wurde am 1. Januar 1801 als lang gesuchter Planet zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter gefeiert. Erst später stellte sich heraus, dass sich dort ein Asteroidengürtel befindet und Ceres mit seinen fast 1.000 Kilometern Durchmesser nur der größte der dortigen Asteroiden ist. Den Status eines Planeten trug er trotzdem einige Jahrzehnte.

Pluto ereilte nun das gleiche Schicksal. Nicht nur fand man nach 1992 jede Menge andere Asteroiden in seiner unmittelbaren Umgebung; man fand auch immer größere. 2001 zum Beispiel Varuna, der schon knapp 1.000 Kilometer durchmaß; 2002 den noch größeren Quaoar und noch viele mehr. Die meisten Astronomen waren der Meinung, es wäre nur sinnvoll, die nun als fehlerhaft erkannte Klassifikation als Planet aus dem Jahr 1930 zu korrigieren. Aber die Internationale Astronomische Union (IAU) lehnte das Vorhaben ab; nicht aus wissenschaftlichen, sondern "aus historischen Gründen".

Der Zwergplanet wird erfunden

Im Jahr 2005 fand dann aber eine Entdeckung statt, die der IAU eine Entscheidung aufzwang. Der amerikanische Astronom Mike Brown und seine Kollegen entdeckten Eris. Dieser Himmelskörper war tatsächlich so groß wie Pluto selbst; nach damaligem Wissensstand sogar ein kleines Stück größer. War Eris nun also der zehnte Planet des Sonnensystems? Und wenn nicht: Wieso durfte Pluto ein Planet bleiben, aber Eris war nur ein Asteroid?

Im Jahr 2006 wurde die Frage bei der IAU-Generalversammlung in Prag offiziell behandelt. Es wurde eine neue Definition des Wortes "Planet" verabschiedet, die weder von Eris noch von Pluto erfüllt wurde. Beide waren große Asteroiden bzw. "Zwergplaneten", ein ebenfalls damals neu definierter Begriff, und das Sonnensystem hatte nur noch acht Planeten. Wer die Geschichte von Mike Browns Entdeckung im Detail nachlesen möchte, dem kann ich dieses Buch empfehlen, das auch auf Deutsch erhältlich ist.

Bis auf einige amerikanische Astronomen (Pluto wurde immerhin von einem Amerikaner entdeckt) und Teile der Öffentlichkeit störte sich niemand an Plutos neuem Status. Aber die vielen großen Himmelskörper in den äußeren Regionen des Sonnensystems ließen die alte Frage wieder aufleben: Gibt es da vielleicht doch noch mehr? Nicht nur große Asteroiden, sondern auch echte Planeten? So groß wie die Erde? So groß wie Jupiter?

Planeten X müssen weit weg sein

Wenn es sie gibt, dann müssen sie auf jeden Fall weit weg sein. Denn wenn da noch ein Planet wäre, würde er natürlich auch einen entsprechenden gravitativen Einfluss auf den Rest des Sonnensystems ausüben. Doch davon ist nichts zu beobachten. Alle bekannten Himmelskörper bewegen sich so, wie sie es sollen. Irgendwelche unerklärten Störungen gibt es nicht - ein Planet X muss also auf jeden Fall so weit weg sein, dass sein Einfluss auf den Bereich, den wir beobachten können, unterhalb unserer Messgenauigkeit liegt.

Und er muss vor allem immer weit weg bleiben und könnte auch nicht ab und zu auf einen kurzen Besuch ins innere Sonnensystem kommen. Diese Tatsache zeigte auch, dass die diversen esoterischen und pseudowissenschaftlichen Behauptungen über die Existenz eines Planeten X oder "Nibiru" Unsinn sein mussten. Denn im 20. Jahrhundert beschäftigten sich nicht nur die Astronomen mit unbekannten Planeten; auch anderswo spekulierte man über "versteckte" Planeten.

Esoteriker, Hellseher und Ufo-Sekten sagen neuen Planeten voraus

Angeblich hätten alte Völker von der Existenz weiterer Himmelskörper gewusst; angeblich hätten dort Aliens gelebt und die Erde besucht; angeblich hätte dieser Planet bei regelmäßigen Vorbeiflügen an der Erde große Katastrophen verursacht und angeblich würde er das auch in Zukunft tun. Besonders im neuen Jahrtausend und ganz besonders angesichts der Weltuntergangspanik des Jahres 2012 sagten diverse Esoteriker, Pseudowissenschaftler, Hellseher und Ufo-Sekten voraus, dass demnächst wieder ein neuer Planet am Himmel erscheinen würde - völliger Unsinn.

Mit dem Planeten X der Astronomen haben all diese pseudowissenschaftlichen Geschichten nichts zu tun, auch wenn sie leider immer wieder miteinander vermischt werden. Im echten Universum wurden in der Zwischenzeit neue Entdeckungen gemacht. Schon 2003 wurde der 1.000 Kilometer große Asteroid Sedna gefunden, der seine Runden weiter entfernt von der Sonne zieht als alle anderen bekannten Himmelskörper. Am sonnenfernsten Punkt seiner Bahn ist er 1.000-mal weiter von unserem Stern entfernt als die Erde.

Ein Objekt aus der Oortschen Wolke

Mit Sedna wurde zum ersten Mal ein Objekt entdeckt, das nicht mehr zum Kuipergürtel zu gehören schien, sondern zur noch weiter entfernten Oortschen Wolke. So wie der Kuipergürtel wurde auch die Existenz dieser Region schon lange vorher vermutet. In den 1930er Jahren vermutete man dort den Ursprung der langperiodischen Kometen. Wenn es im Sonnensystem noch unbekannte große Planeten gibt, dann sind sie aller Wahrscheinlichkeit nach dort zu finden.

Die unzähligen Asteroiden und Kometen, die sich in der Oortschen Wolke befinden müssen, werden wir vermutlich nie direkt beobachten können. Dafür ist sie einfach zu weit weg; sie reicht fast ein Lichtjahr hinaus ins All. Aber die Übergangszone zwischen Kuipergürtel und Oortscher Wolke, die sogenannte "innere Oortsche Wolke", könnte für Beobachtungen zugänglich sein. Sedna hält sich genau dort auf, und es spricht nichts dagegen, dort auch noch weitere Asteroiden zu entdecken. Und vielleicht sogar Planeten?

Nun, wirklich fundierte Hinweise gab es noch nicht. Aber als das nächste Jahrzehnt des neuen Jahrtausends anbrach, änderte sich die Situation langsam.

Ferne Asteroiden und unklare Spuren

In der Wissenschaft passiert selten etwas aus dem Nichts heraus; neue Erkenntnisse gewinnt man nur in Ausnahmefällen von heute auf morgen. So ist es auch bei der Suche nach Planet X. Wenn man die Fachliteratur durchsieht, findet man eine Vielzahl von Arbeiten, die anhand von Kometen über weitere Planeten im äußeren Sonnensystem spekulieren und teilweise bis in die 1990er Jahre oder noch weiter zurückreichen. Auch rein theoretische Überlegungen zur Planetenentstehung enthalten oft Vermutungen über weitere Planeten. Einen kompletten historischen Überblick über all diese Arbeiten zu geben, liegt außerhalb der Möglichkeiten dieses Artikels, daher geht es im Folgenden um einige der aktuelleren Arbeiten, die seit 2010 erschienen sind.

Asteroiden hinter der Bahn des Neptun kennt man erst seit 1992 (oder 1930, wenn man Pluto inkludiert). Kometen dagegen schon viel länger. Sie wurden beobachtet, sobald Menschen in der Lage waren, zum Himmel zu schauen und zu verstehen, was dort vor sich geht. Neben den sogenannten kurzperiodischen Kometen, die Teil des "normalen" Bereichs des Sonnensystems sind und nicht länger als 200 Jahre für einen Umlauf brauchen, gibt es auch die langperiodischen Kometen.

Die sehen wir meist nur einmal: Sie brauchen Jahrtausende oder Jahrzehntausende für eine Runde um die Sonne. Sie waren es auch, die uns auf die Existenz der Oortschen Wolke hingewiesen haben, das Reservoir, aus dem all die fernen Besucher kommen müssen. Und sie sind es, die uns einen kleinen Blick auf das ermöglichen könnten, was dort vor sich geht.

Kometen mit ungewöhnlichen Bahnen

Man geht davon aus, dass die Oortsche Wolke eine kugel(schalen)förmige Region ist, die das Sonnensystem umgibt. Die Objekte, die sich dort befinden, sollen in der chaotischen Frühzeit unseres Systems dort hinausgeschleudert worden sein und sich deswegen auch überall rund um die Sonne herum angesammelt haben. Wenn nun Brocken aus Fels und Eis von dort ab und zu zurück in Richtung des inneren Sonnensystems gelangen, erwarten wir daher auch, dass sie das aus allen Richtungen tun. Und im Prinzip beobachtet man das auch - ansonsten wäre man damals gar nicht erst auf die Idee gekommen, dass es die Oortsche Wolke gibt.

Je mehr Kometen im Laufe der Zeit aber entdeckt wurden, desto interessanter wurde die Sache. Eine genaue Analyse der Bahnen langperiodischer Kometen ließ vermuten, dass sie eben nicht gleichmäßig aus allen Richtungen kommen. Eine bestimmte Gruppe von Kometen hatte ungewöhnliche Bahnen, die kleiner waren und deren sonnennächste Punkte viel weiter weg lagen als erwartet.

Eine Erklärung für dieses Verhalten könnte der Einfluss der galaktischen Gezeiten sein. Sie funktionieren im Prinzip so wie die auf der Erde vom Mond ausgelösten Gezeiten, nur dass diesmal eben die Gravitation aller Sterne der Milchstraße dafür verantwortlich ist. Aber das scheint nicht zu reichen.

Im April 2010 haben die beiden amerikanischen Astronomen John Matese und Daniel Whitmire eine ausführliche Analyse dieser Kometenbahnen veröffentlicht (Persistent Evidence of a Jovian Mass Solar Companion in the Oort Cloud). Wenn man nur den Einfluss der bekannten Planeten und der galaktischen Gezeiten berücksichtigt, so ihre Modellrechnungen, dann erhält man eine Verteilung von Kometenbahnen, die von der beobachteten Verteilung abweicht. Es braucht also noch zusätzliche Faktoren, um erklären zu können, warum die beobachteten Kometen sich so verhalten, wie sie es tun.

Ein Stern, der vor langer Zeit vorbeizog?

Natürlich besteht auch immer die Möglichkeit, dass wir einfach noch zu wenig Kometen beobachtet haben und alles nur eine zufällige statistische Fluktuation ist. Es könnte aber auch sein, dass die Kometen durch einen Stern beeinflusst worden sind, der früher einmal in der Nähe der Oortschen Wolke vorübergezogen ist.

Diese Hypothese ist gar nicht so weit hergeholt, wie sie vielleicht klingt. Wir wissen, dass Sterne so gut wie nie allein entstehen, sondern immer gemeinsam mit vielen anderen Sternen aus riesigen kosmischen Gaswolken. Das ist auch bei unserer Sonne so gewesen, und es hat ein wenig gedauert, bis all ihre "Geschwister" sich entfernt haben. Einer dieser Sterne könnte für die Verteilung der Kometenbahnen verantwortlich gewesen sein, und das ist auch einer der Gründe, der diese Art von Forschung für die Astronomen so interessant macht. Es geht nicht unbedingt nur darum, einen Planet X zu finden - sondern darum, mehr über die Vergangenheit unseres Sonnensystems und seine Entstehung zu erfahren.

Aber neben Zufall und störenden Geschwistersternen ist eben auch der Einfluss eines großen Planeten eine mögliche Erklärung für das Verhalten der Kometen. Matese und Whitmire kommen in ihrer Arbeit zu dem Schluss, dass so ein Planet, dem sie den Namen Tyche gegeben haben, ungefähr viermal so schwer wie Jupiter sein muss und ungefähr 15.000-mal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde.

Asteroiden mit merkwürdigen Umlaufbahnen

Ein ganz schöner Brocken also, der da in den äußeren Bereichen des Sonnensystems seine Runden zieht! Oder besser gesagt: Ziemlich sicher nicht zieht. Denn mittlerweile haben Weltraumteleskope wie WISE den Himmel durchmustert. Jeder Planet, der so groß wie Jupiter oder größer ist, wäre dabei entdeckt worden, wenn er nicht weiter als 26.000-mal so weit von der Sonne entfernt ist wie die Erde. Wenn es Tyche gäbe, dann wäre er von WISE gefunden worden. Ein unbekannter Planet im äußeren Sonnensystem wird durch WISE zwar nicht ausgeschlossen, aber er muss entweder weiter weg sein - oder aber viel kleiner.

Die Kometen konnten vorerst also nicht weiterhelfen. Aber dafür die Asteroiden! Von denen fand man immer mehr und im Jahr 2014 dann auch einen, der sich noch weiter entfernt befindet als der bisherige Rekordhalter Sedna. Der Asteroid 2012 VP113 und mit ihm eine kleine Gruppe neu entdeckter weiterer Asteroiden im Übergangsbereich zwischen Kuipergürtel und Oortscher Wolke zeigten nicht nur, dass man da draußen noch etwas finden konnte. Wie die Kometen verhielten auch sie sich nicht ganz so, wie erwartet wurde.

Das Argument des Perihels zieht nicht

Chad Trujillo und Scott Sheppard, die Entdecker von 2012 VP113, der selbst an seinem sonnennächsten Punkt noch 80-mal weiter von ihr entfernt ist als die Erde, wiesen in ihrer Arbeit A Sedna-like body with a perihelion of 80 astronomical units auf eine interessante Anomalie hin, die mit dem sogenannten "Argument des Perihels" zu tun hat.

Das ist eine der sechs Zahlen, mit der Astronomen die Bahn eines Himmelskörpers beschreiben. In diesem Fall der Winkel zwischen der Linie, die den sonnennächsten Punkt der Bahn mit der Sonne selbst verbindet, und der Linie, die die Sonne mit dem "aufsteigenden Knoten" verbindet, also dem Schnittpunkt zwischen der Bahnebene des Asteroiden und der Bahnebene der Erde:

Oder anders und etwas einfacher gesagt: Die Bahnellipse eines Himmelskörpers kann irgendwie im Raum orientiert sein und die genaue Art der Orientierung muss durch drei Winkel angegeben werden; einen für jede Richtung im Raum. Das "Argument des Perihels" ist einer dieser Winkel (die "Inklination" und die "Länge des aufsteigenden Knotens" die anderen). Trujillo und Sheppard haben nun alle bekannten Asteroiden betrachtet, die immer mindestens 30-mal weiter von der Sonne entfernt sind als die Erde.

13 auffällige Asteroiden

Das Argument des Perihels ist bei all diesen Asteroiden unterschiedlich und deckt alle Werte zwischen 0 und 360 Grad ab - eigentlich genau das, was zu erwarten wäre. Auf diese fernen Asteroiden wirken die Gravitationskräfte der Planeten im inneren Sonnensystem nicht mehr "gezielt"; sie spüren nur den kombinierten Einfluss aller Störungen und das führt dazu, dass ihre Bahnen sich aufgrund der Störung mit irgendwelchen zufälligen Geschwindigkeiten im Raum herum drehen. Was dann eben auch dazu führt, dass man heute alle möglichen Werte für den aktuellen Winkel der Orientierung der Bahn im Raum beobachtet.

Aber: Das galt nicht für die wirklich weit entfernten Asteroiden! Alle diejenigen, die mehr als 150-mal weiter von der Sonne entfernt sind als die Erde, zeigten Bahnen, deren Argument des Perihels in der Nähe von 0 Grad lag. Gut, es waren insgesamt nur 13 Stück, aber der Befund war auffällig.

Also doch ein Planet X?

Trujillo und Sheppard schlugen als Erklärung die gezielte Störung dieser fernen Asteroiden durch einen noch unbekannten Planeten vor. Wenn der sich genau am richtigen Ort befinde, könne es zu Resonanzen kommen, d.h. bestimmte Bahnparameter wie eben das Argument des Perihels könnten sich nicht beliebig ändern, sondern nur in Einklang mit den Veränderungen des störenden Planeten selbst. Wenn Asteroiden in so einer Resonanz "gefangen" sind, dann könnte das die Auffälligkeiten in ihren Bahnen erklären.

Laut Trujillo und Sheppard bräuchte man dafür einen Planeten, der etwas größer als die Erde ist und ungefähr 250-mal weiter von der Sonne entfernt als unser Planet. Wirklich exakt konnten sie es aber nicht eingrenzen - und es gab durchaus auch andere Erklärungen für das Verhalten der Asteroiden.

Lucie Jílková von der Universtät Leiden und ihre Kollegen schlugen im März 2015 eine faszinierende Alternative vor (How Sedna and family were captured in a close encounter with a solar sibling). Auch sie gehen davon aus, dass die Sonne in der Zeit nach ihrer Entstehung einige nahe Begegnungen mit Geschwistersternen hatte. Mit ausführlichen Computersimulationen zeigten sie, dass dabei Asteroiden aus den äußeren Asteroidengürteln des vorbeiziehenden Sterns von der Sonne eingefangen werden können - und die Sonne auch Asteroiden an den anderen Stern verlieren kann. Dabei können genau solche Gruppen von Asteroiden mit seltsamen Eigenschaften entstehen, wie Trujillo und Sheppard sie beobachtet haben.

Die Sache mit Planet X blieb also weiterhin unklar. Eine neue Analyse der Daten von Trujillo und Sheppard (Extreme trans-Neptunian objects and the Kozai mechanism: signalling the presence of trans-Plutonian planets) zeigte, dass die Sache mit dem Argument des Perihels aller Wahrscheinlichkeit nach kein zufälliger Effekt ist, der sich auf die geringe Zahl der beobachteten Objekte zurückführen lässt. Sie zeigte aber auch, dass vermutlich nicht nur ein Planet, sondern gar zwei unbekannte Himmelskörper nötig wären, um die Beobachtungen zu erklären.

... oder sogar zwei Planeten?

Also zwei Planeten? Oder vielleicht doch gar keiner? Eine Arbeit vom September 2015 ("A new inclination instability reshapes Keplerian disks into cones: application to the outer Solar System") erklärte die Auffälligkeiten der fernen Asteroiden ganz ohne zusätzliche Planeten, sondern mit einer "inclination instability"; also einer Phase, bei der sich - vereinfacht gesagt - alle vorhandenen Himmelskörper gegenseitig so sehr stören, dass es zu großräumigen Veränderungen in den Umlaufbahnen kommt. So etwas könnte in der Frühzeit des Sonnensystems im Kuipergürtel stattgefunden und die beobachteten Anomalien erzeugt haben, wie in der entsprechenden Arbeit demonstriert wird.

Auch in der Gegenwart ist die die Frage nach dem "Planet X" also ziemlich verwirrend. Wenn es da draußen irgendwo einen wirklich großen Himmelskörper gäbe, hätten unsere Weltraumteleskope ihn schon längst gefunden. Wenn es noch unbekannte Planeten gibt, müssen sie entweder enorm weit weg (und damit so gut wie gar nicht zu finden) sein oder aber kleiner und in der Größe vergleichbar mit der Erde. Die Hinweise, die wir von Kometen und Asteroiden auf die Existenz eines unbekannten Planeten haben, sind vielversprechend, aber auch leider nicht eindeutig. Und vor allem nicht zwingend: Es gibt genug andere Möglichkeiten, die Beobachtungen ohne unbekannte Planeten zu erklären.

Aber die Astronomen lassen sich nicht aufhalten. Wir wollen Bescheid wissen, was in unserem Sonnensystem abgeht. Wenn da noch Planeten sind, wollen wir sie finden und wenn nicht, wollen wir das ebenfalls wissen.

Die Entdeckung von Planet 9

Wie ist das jetzt also mit Planet X? Gibt es das Ding oder nicht? Und was ist mit Planet 9, der ja angeblich schon so gut wie entdeckt ist, wie Medienberichte der vergangenen Woche nahelegen? Am 20. Januar 2016 verkündeten die Astronomen Mike Brown und Konstantin Batygin, dass im äußeren Sonnensystem ein weiterer großer Planet existieren müsse. Ihre Analyse der Umlaufbahnen von einigen Asteroiden (Evidence for a distant giant planet in the solar system) lasse das sehr wahrscheinlich erscheinen. Anders als bei all den anderen wissenschaftlichen Arbeiten über unbekannte Planeten im äußeren Sonnensystem der vergangenen Jahre erhielt diese Nachricht jede Menge Aufmerksamkeit in den Medien.

Rekapitulieren wir kurz die Ausgangslage, die auf Seite 7 beschrieben ist: 2014 entdeckten Chad Trujillo und Scott Sheppard einen Asteroiden, der sich weiter von der Sonne entfernt befindet als alle anderen damals bekannten Asteroiden. An ihm und zwölf weiteren, ähnlich fernen Objekten stellten sie seltsame Auffälligkeiten fest. Diese Seltsamkeiten lassen sich durch die Existenz eines oder mehrerer unbekannter Planeten erklären; unter Umständen in Kombination mit einer nahen Sternbegegnung in der Frühzeit des Sonnensystems oder alternativ auch durch eine spezielle dynamische Phase im Kuipergürtel, für die kein zusätzlicher Planet nötig wäre. Eine relative unklare Angelegenheit also - und die Arbeit, die Mike Brown und Konstantin Batygin veröffentlichten, sollte Aufklärung schaffen.

Vorhandene Daten neu ausgewertet

Sie machten sich zuerst daran, die Daten ein wenig zu säubern. Alle Hypothesen hingen immer noch an den 13 Asteroiden, mit denen schon Trujillo und Sheppard gearbeitet hatten - Neuentdeckungen sind seitdem nicht dazugekommen. Alle diese 13 Asteroiden bleiben immer außerhalb der Bahn des Neptuns und haben einen mittleren Abstand zur Sonne, der 150-mal größer ist als der mittlere Abstand der Erde von unserem Stern.

Brown und Batygin bezweifelten allerdings, ob diese Objekte wirklich alle geeignet seien, Informationen über unbekannte Planeten zu liefern. Diejenigen der 13 Asteroiden, die der Bahn des Neptun besonders nahe kämen, könnten eventuell doch von ihm gestört werden und das Bild verfälschen. Also führten sie zuerst numerische Simulationen durch, um herauszufinden, welche sich definitiv nicht von Neptun beeinflussen lassen. Dabei blieben am Ende nur noch sechs Objekte übrig, mit denen sämtliche weitere Analysen durchgeführt wurden.

Bei der Betrachtung der Umlaufbahnen dieser Asteroiden fiel Brown und Batygin nun auf, dass das Argument des Perihels nicht mehr um den Wert von 0 Grad herum schwankte. Die sechs Objekte hatten alle Werte, die in der Nähe von 318 Grad lagen. Aber zusätzlich zeigte nun auch die "Länge des aufsteigenden Knotens" eine Häufung bei 113 Grad. Damit wird eine weitere der sechs Zahlen bezeichnet, mit denen Astronomen die Bahn eines Himmelskörpers beschreiben.

So wie das Argument des Perihels ist auch das einer der drei Winkel, die die Orientierung der Bahn im Raum angeben. Diese Häufung der beiden Winkel legte nahe, dass die Bahnen nicht nur ähnliche Eigenschaften hatten, sondern tatsächlich in der gleichen Region des Weltraums verlaufen, was auch diese Grafik zeigt.

Man sieht hier den gesamten Himmel in Form einer Art Landkarte dargestellt, mit ekliptischer Länge und Breite, so wie die geografische Länge und Breite Positionen auf der Erde darstellen. Alle bekannten Asteroiden in den äußeren Regionen des Sonnensystems sind dort eingezeichnet; die sechs, um die es geht, sind rot eingefärbt. Sie liegen alle im rechten Teil des Bildes, und sie gruppieren sich alle um die Mitte herum.

Das ist überraschend, denn eigentlich sollte es dafür keinen Grund geben. Brown und Batygin haben ausprobiert, wie wahrscheinlich es ist, so eine Kombination per Zufall zu erhalten und erhielten einen Wert von 0,007 Prozent. Ein Hinweis darauf, dass hier irgendetwas vor sich geht, das man untersuchen sollte. Und auch die bisherigen Erklärungen (Kozai-Mechanismus und Kettenreaktion) reichten nicht aus, um diese Ähnlichkeit der Umlaufbahnen zu erklären.

Ein mathematisches Modell ist nur eine Näherung

Als Nächstes haben die beiden Astronomen ein mathematisches Modell entwickelt, um herauszufinden, wie sich die Störungen eines noch unbekannten Planeten auf die Umlaufbahnen der Asteroiden auswirken würden. Bei solchen Modellen macht man keine Computersimulationen, sondern vereinfacht die entsprechenden mathematischen Gleichungen, mit denen man die Bewegung von Himmelskörpern beschreibt, um die physikalischen Zusammenhänge besser sehen zu können. Sie gingen dabei von einem Planeten aus, der ungefähr 10-mal schwerer und 700-mal weiter von der Sonne entfernt ist als unsere Erde.

Und tatsächlich stellte sich heraus, dass Asteroiden, die sich weit genug außen im Sonnensystem befinden, von so einem Planeten entsprechend gestört werden können. Die fraglichen Winkel fangen ab einer gewissen Distanz an zu "librieren" (librating), pendeln also um einen bestimmten Wert herum, anstatt wie sonst zu zirkulieren, somit im Laufe der Zeit alle Wert zwischen 0 und 360 Grad anzunehmen. Und der Wert, um den sie herum schwankten, entsprach dem, den man beobachtet hatte.

Aber ein mathematisches Modell ist immer nur eine Näherung; die Gleichungen lassen sich nie exakt lösen. Deswegen nutzten Brown und Batygin im nächsten Schritt numerische Simulationen am Computer. Dabei entdeckten sie, dass das mathematische Modell tatsächlich ungenau war: Zusätzlich zu dem einen Wert, um den die Winkel der Umlaufbahnen schwanken konnten, fanden sie noch einen zweiten. Die Störungen eines noch unbekannten Planeten können also nicht nur für eine Häufung von Asteroiden sorgen, sondern für zwei. Sie sollten es sogar tun, und dass man bis jetzt nur eine dieser Gruppen beobachtet hatte, war interessant.

Die Suche geht weiter

In der nächsten Runde der Simulation sahen Brown und Batygin auch noch nach, ob ein störender Planet auch dann noch ausreichend stören kann, wenn seine Bahn gegenüber der Bahn der Asteroiden geneigt ist. Denn diese Möglichkeit hatte man in der ersten Simulation der Einfachheit halber vernachlässigt, in der Realität kann das aber durchaus so sein. Auch so ein Planet kann genügend stören - aber auch hier wird neben der bekannten Gruppe von Asteroiden eine weitere Gruppe produziert, die man noch nicht beobachtet hat bzw. fand man in den Datenbanken ein einzelnes Objekt, das in so eine Gruppe passen könnte.

Die Geschichte um Planet 9 ist mit der Arbeit von Brown und Batygin definitiv interessanter geworden. Aber nicht unbedingt klarer. Die beiden haben gezeigt, dass ein noch unbekannter Planet die beobachteten Auffälligkeiten von sechs Asteroiden erklären kann. Allerdings würde dieser Mechanismus noch weitere Asteroidengruppen produzieren, von denen man bis jetzt noch nichts wusste. Das kann bedeuten, dass der Mechanismus falsch ist. Oder dass man sie einfach noch nicht entdeckt hat.

Außerdem wurden sowohl beim mathematischen Modell als auch bei der Computersimulation Vereinfachungen genutzt (zwangsläufig; anders geht es meist nicht - es sei denn, man hat beliebig viel Computerpower zur Verfügung). Das bedeutet, dass man auch keinen kompletten Überblick über alle möglichen dynamischen Effekte hat und nicht weiß, ob man vielleicht etwas übersehen hat. Es ist zum Beispiel auch mit dem aktuellen Modell nicht möglich zu erklären, warum sich die beobachtete Asteroidengruppe genau in der Entfernung befindet, in der sie sich befindet, warum es also nicht auch weiter weg entsprechende Asteroiden gibt.

Es gibt also entweder eine weitere Gruppe noch unentdeckter Asteroiden oder aber einen noch unbekannten Mechanismus, der die Asteroiden auf die bekannte Gruppe beschränkt.

Sicher werden bald neue Modelle folgen

Sicherlich werden in den nächsten Wochen und Monaten andere Astronomen andere Modelle finden, die die Beobachtungen ebenfalls (und vermutlich ebenfalls unvollständig) erklären können. Es hat sich also nichts fundamental geändert. So wie früher wissen wir, dass es gute Hinweise auf die Existenz eines weiteren Planeten im äußeren Sonnensystem gibt. Und so wie früher können wir nicht sicher sein, ob er wirklich da ist. Was wir brauchen, sind mehr konkrete Daten: zum Beispiel die Beobachtung der von Brown und Batygin vorhergesagten Asteroidengruppen. Sollten die entdeckt werden, wäre das ein wirklich guter Hinweis, dass der Planet real ist.

Noch besser wäre natürlich die Entdeckung des Planeten selbst. Aber das ist sehr, sehr schwer. Der Planet kann nicht viel mehr Gewicht haben als Neptun, sonst hätte man ihn schon gefunden. Das heißt, dass er recht klein ist und entsprechend wenig Licht reflektiert. Je nachdem, ob er sich auf seiner Bahn gerade in der Nähe (und "Nähe" ist in dem Fall immer noch verdammt weit weg) der Sonne befindet oder weit entfernt, kann er nur mit den besten Teleskopen oder vielleicht auch gar nicht beobachtet werden.

Und so wie es momentan aussieht, wird es schwierig. Nimmt man all die Himmelsbeobachtungen zusammen, die man bis jetzt schon gemacht und kombiniert das mit den wahrscheinlichen Werten für die Umlaufbahn des unbekannten Planeten, dann bleibt nur eine unerfreuliche Variante übrig: Planet 9 muss sich gerade in der Nähe des sonnenfernsten Punkts seiner Bahn befinden, wo er am dunkelsten ist und sich am langsamsten über den Himmel bewegt. Er ist - sofern vorhanden - vermutlich gerade mehr als 500-mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde. Und befindet sich noch dazu in der Gegend des Himmels, in der wir auch die Milchstraße sehen. Der denkbar schlechteste Ort also, um einen extrem schwach leuchtenden Lichtpunkt zu finden, der schon unter den besten Umständen nur mit großen Teleskopen zu entdecken wäre.

Sollte es "Planet 9" geben, wird es also noch dauern, bevor wir Bescheid wissen. Aber wir sind nun schon seit mehr als 200 Jahren damit beschäftigt, neue Himmelskörper im Sonnensystem zu suchen. Und es gibt keinen Grund, damit aufzuhören. Wir werden auf jeden Fall viele neue Asteroiden fern der Sonne finden und sie werden uns verraten, wo wir weitersuchen müssen und wie erfolgversprechend unser Vorhaben ist. Aber egal ob wir einen "Planet 9" finden werden oder nicht: Während wir suchen, werden wir jede Menge Dinge über das Sonnensystem lernen, die wir bisher noch nicht wussten. Und darauf kommt es ja eigentlich an!  (ff)


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(21.01.2016, https://glm.io/118653 )

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