Planeten

Nach: Hans-Ulrich Keller: Kosmos Himmelsjahr 2015
Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. KG, Stuttgart 2014
Monatsthema September 2015
Die Entdeckung des 13. Planeten
Groß war die Empörung, als man Pluto im August 2006 auf der
Generalversammlung der IAU (International Astronomical Union,
die Dachorganisation der professionellen Astronomen) den Status
als Planeten aberkannte. Galt er doch seit seiner Entdeckung im
Jahre 1930 als neunter Planet unseres Sonnensystems. Seit
August 2006 firmiert Pluto als Zwergplanet mit der PlanetoidenNummer 134 340. Damit zählt man nun acht Planeten zu unserem
Sonnensystem. So groß die Aufregung auch war, die Zählung der
Planeten hat sich im Laufe der Zeit schon mehrmals geändert, und
stets hat man sich bald an die neue Anzahl gewöhnt.
Im Altertum und Mittelalter kannte man sieben Wandelgestirne,
wie die Planeten mit einem deutschen Ausdruck auch bezeichnet
werden. Im Gegensatz zu den scheinbar unveränderlichen Positionen der Fixsterne laufen die Wandelgestirne durch die zwölf (ab
1925 dreizehn) Sternbilder des Tierkreises. Da auch Sonne und
Mond durch den Tierkreis wandern, zählte man sie einst im Zeitalter des geozentrischen Weltbildes ebenfalls zu den Planeten. So
ergab sich die Zahl Sieben: Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars,
Jupiter und Saturn. Einer der Gründe, weshalb die Sieben als
„heilige Zahl“ galt.
Himmelskörper wandert in 2,77 AE in 4,60 Jahren um die Sonne.
Somit ist er ein Wandelstern. Damit kannte man nun acht
Planeten. Der achte Planet wurde Ceres getauft nach der Göttin
des Ackerbaus und Schutzpatronin von Sizilien. Von da an ging es
Schlag auf Schlag.Der Bremer Arzt und Amateurastronom Wilhelm
Heinrich Olbers fand am 28. März 1802 die Pallas, die in 4,61
Jahren in einem mittleren Abstand von 2,77 AE um die Sonne
läuft.
Der sonnenferne
Planet Neptun,
aufgenommen
von Voyager 2 im
August 1989
[NASA/JPL]
Die Bahnen der vier erstentdeckten Kleinplaneten Ceres, Pallas, Juno
und Vesta zwischen der Mars- und der Jupiterbahn
Nikolaus Kopernikus verwies 1543 in seinem fundamentalen Werk
De revolutionibus orbium coelestium die Sonne in das Zentrum
des Planetensystems. Die Planeten umrundeten fortan die Sonne
und nicht mehr die Erde. In diesem heliozentrischen System
umkreist lediglich unser Mond die Erde, während die Erde wie die
anderen Planeten ebenfalls um die Sonne laufen. Sonne und
Mond schieden damit als Planeten aus. Somit zählte man seit
Kopernikus sechs Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter
und Saturn – in der Reihenfolge ihres Sonnenabstandes aufgezählt. Saturn bildete die Grenze des Planetensystems. In nahezu
zehnfachem Abstand Erde–Sonne umrundet er die Sonne in
knapp 30 Jahren einmal.
Zahlreiche Neuentdeckungen
Groß war die Überraschung, als Wilhelm Herschel im März 1781
im Sternbild Zwillinge einen neuen Planeten fand, der in 19 AE,
weit außerhalb der Saturnbahn also, in rund 85 Jahren die Sonne
umkreist. Der neu entdeckte Planet erhielt den Namen Uranus,
damit war der Mythologie Genüge getan. Der Himmelsgott Uranus
ist der Vater des Saturn und dieser wiederum Vater des Jupiter.
Damit stieg die Zahl der Planeten wieder auf sieben an. Wegen
seiner Sonnenferne wurde Uranus erst mit dem Teleskop entdeckt, obwohl er unter extrem guten Sichtbedingungen theoretisch
mit bloßem Auge erkennbar ist, wenn man seine Position genau
kennt.
Nur 19 Jahre nach der Entdeckung des Uranus fand der sizilianische Pfarrer Guiseppe Piazzi in Palermo in der Neujahrsnacht von
1800 auf 1801 einen Lichtpunkt,der sich durch die Sternbilder
bewegte. Der deutsche Mathematiker Karl Friedrich Gauß (17771855) berechnete die Bahn des Objektes. Der neu gefundene
Bereits am 1. September 1804 entdeckte Karl Ludwig Harding aus
Lilienthal bei Bremen die Juno, die in 2,67 AE in 4,36 Jahren um
die Sonne eilt. Olbers hatte 1807 nochmals Entdeckerglück: Er
spürte am 29. März 1807 einen weiteren Wandelstern auf, der den
Namen Vesta erhielt. Vesta umrundet die Sonne einmal in 3,63
Jahren, wobei ihr Abstand gemäß dem 3. Keplergesetz im Mittel
2,36 AE von der Sonne beträgt. Ende des ersten Jahrzehnts im
19. Jahrhundert kannte man somit elf Himmelskörper, die um die
Sonne laufen. Für Astronomen wie Laien waren dies klarerweise
Planeten. Auffallend ist allerdings, dass die vier neuentdeckten
Planeten allesamt auch bei hoher Vergrößerung nur punktförmig
erscheinen. Sie müssen daher sehr klein sein. Auch laufen sie in
benachbarten Bahnen zwischen Mars und Jupiter um die Sonne,
wobei diese Bahnen vergleichsweise stark (7° bis 35 °) zur Ekliptikebene (Bahnebene der Erde) geneigt sind. Bald spekulierte man,
dass die vier kleinen Planeten möglicherweise Bruchstücke eines
einstmals großen Planeten sind, der zerborsten war. Manche
bedauerten sogar potenzielle Bewohner dieses Planeten, die wohl
alle bei dem katastrophalen Zerfall umgekommen waren. Zudem
schloss dieser hypothetische Planet die Bahnlücke zwischen Mars
und Jupiter gemäß der Titius-Bode-Reihe.
Der Mathematiker Johann Daniel Titius entwickelte 1766 eine
Formel, nach der die Abstände der Planeten von der Sonne zu
kalkulieren sind (siehe Tabelle). Der Direktor der Berliner Sternwarte, Johann Elert Bode machte sie 1772 weithin publik. Inwieweit diese Formel eine tiefere physikalische Bedeutung hat, ist bis
heute umstritten. Wie auch immer, nach der Titius-Bode-Reihe
sollte zwischen der Mars- und der Jupiterbahn ein Planet seinen
Weg um die Sonne zurücklegen. Statt einem fand man aber deren
vier, wenn auch nur winzige und mit bloßen Augen nicht sichtbare
Wandelgestirne.
Uranus macht Probleme
Nach längerer Pause fand der Postmeister Karl Ludwig Hencke
aus Drießen (bei Rheinberg) am 8. Dezember 1845 wiederum ein
Wandelgestirn, das seine Bahn in 2,58 AE Distanz in 4,14 Jahren
- 2 um die Sonne zieht. Der neue Planet wurde Astraea getauft nach
der Göttin der Gerechtigkeit, Tochter des Zeus und der Themis.
Damit stieg die Zahl der Planeten auf zwölf. Auch Astraea sah
man als Bruchstück des einstmals großen Planeten zwischen der
Mars- und der Jupiterbahn. Denn auch der zwölfte Planete zeigt
sich nur punktförmig.
Probleme zu lösen) oder eine unbekannte Masse übt ihren
Schwerkrafteinfluss auf Uranus aus.
Die Bahnen der Planeten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und des
Zwergplaneten Pluto.
Berechnungen zum Planeten X
Bald nach der Entdeckung von Uranus stellte sich heraus, dass
der siebte Planet schon früher beobachtet worden war. Allerdings
hatte man ihn für einen Fixstern gehalten. Man fand Beobachtungen von John Flamsteed (1690), von Christian Mayer (1756) und
von Pierre Charles Lemonnier (1764 und 1769), die allerdings erst
1788 bekannt wurden. Bis 1820 waren siebzehn solcher Uranusbeobachtungen vor dem Entdeckungstermin bekannt geworden.
Aus all diesen Beobachtungen wurde die Uranusbahn bestimmt.
Der Lauf von Uranus wird hauptsächlich von den großen Planeten
Jupiter und Saturn gravitativ beeinflusst oder „gestört“, wie die
Himmelsmechaniker in ihrem Jargon zu sagen pflegen. Dabei
zeigte sich bald etwas Verwunderliches: Auch wenn man alle
Störungen, die die anderen Planeten auf den Lauf des Uranus
ausüben, mit in die Bahnbewegungen einkalkulierte, so ergab sich
dennoch eine unerklärliche Abweichung in den Positionen des
Uranus. Er lief einfach zu schnell, nämlich über eine Bogenminute
mehr als die Berechnungen ergaben. Dies war zehnmal mehr als
durch Messfehler erklärt werden konnte. Zwei Möglichkeiten sah
man, diese Abweichungen zu verstehen: Entweder waren die alten
Positionen fehlerhaft oder Newtons Gravitationsgesetz stimmte
nicht hundertprozentig. Aber auch wenn man alte Beobachtungen
wegließ, konnten die Bahnabweichungen nicht befriedigend erklärt
werden. Dann, zwischen 1810 bis 1820, schien Uranus „normal“
zu laufen. Aber 1830 schien er wieder aus dem Tritt zu kommen.
Nun lief er nicht mehr zu schnell, sondern zu langsam. Von 1820
bis 1832 blieb Uranus 30 Bogenminuten, das ist ein ganzer
Vollmonddurchmesser, hinter den berechneten Positionen zurück.
Das konnte nicht auf Beobachtungsfehler beruhen. Entweder
musste Newtons Gravitationstheorie modifiziert werden (manche
Zeitgenossen versuchen dies auch heute noch, um kosmologische
Bis 1840 wurde das Uranusproblem zu einer echten Herausforderung. Alle Versuche, Newtons Gravitationsgesetz zu verbessern,
schlugen grandios fehl. Die königliche Akademie der Wissenschaften in Göttingen setzte 1842 einen Preis aus für die Lösung des
Uranusproblems. Im Jahre 1842 nahm sich Friedrich Wilhelm
Bessel, erster Direktor der neugegründeten Sternwarte in Königsberg (heute Kaliningrad) in Ostpreußen, vor, das Uranusproblem
zu knacken. Bessel war durch die erfolgreiche Messung der ersten
trigonometrischen Fixsternparallaxe in Fachkreisen weithin
bekannt und geschätzt. Er bestimmte 1838 die Entfernung des
Sterns Nr. 61 im Schwan zu zehn Lichtjahren. Zunächst übertrug
er die Rechenaufgaben zur Lösung des Uranusproblems einem
Studenten. Als dieser starb, versuchte Bessel selbst, den Grund
für die Uranusabweichungen zu finden. Inzwischen war man zur
Überzeugung gelangt, nur ein noch nicht entdeckter Himmelskörper könne mit seiner Masse die beobachteten Bahnabweichungen
von Uranus bewirken. Bessel konnte sich nicht weiter dem
Uranusproblem widmen, denn er starb 1846 in Königsberg.
Störungen der Uranusbahn durch eine unbekannte Masse.
- 3 Zwei andere Astronomen nahmen sich ebenfalls des Uranusproblems an, nämlich der Engländer John Couch Adams (1819-1892)
und der Franzose Urbain Jean Joseph Leverrier (1811-1877). Sie
widmeten sich der Aufgabe, aus restlichen, ungeklärten Bahnstörungen des Uranus die Position des mysteriösen Planeten X zu
berechnen. Dabei machten sie folgende Annahmen: Nach der
Titius-Bode-Reihe müsste sich Planet X in einer Sonnenentfernung von 38,8 AE befinden, was eine Umlaufzeit von 242 Jahren
ergibt. Der Planet X soll ferner in der Ekliptikebene um die Sonne
kurven, eine geringe Exzentrizität von e = 0,16 haben und die
fünfzigfache Erdmasse besitzen, um eine entsprechende Gravitationswirkung auf Uranus ausüben zu können. Mit diesen Annahmen berechnete Adams die heliozentrische Länge des Planeten X.
Seine Ergebnisse sandte er per Brief am 21. Oktober 1845 an
George Biddell Airy (1801-1892), Astronomer Royal und Direktor
der Sternwarte in Greenwich bei London. Adams war zwar noch
Student, hatte sich aber bereits einen Namen in der Fachwelt
gemacht und Auszeichnungen erhalten. Auch wurde er zum
Mitglied der ehrenwerten Royal Astronomical Society gewählt.
Unabhängig von Adams machte sich auf dem Festland Leverrier
an die Kalkulation zur Auffindung des Planeten X. Er stand im
Briefwechsel mit Airy, der acht Monate nach Erhalt von Adams
Ergebnissen nun auch von Leverrier die Ortsangaben des hypothetischen Planeten X geliefert bekam. Dies war im Juni 1846 der
Fall. Da beide Berechnungen zu ähnlichen Ortsangaben führten,
sah sich Airy genötigt, doch etwas zu unternehmen. Zunächst
hatte er Adams Unterlagen nicht allzu ernst genommen und
beiseite gelegt.
Die praktische Suche beginnt
Mit seiner Autorität als Astronomer Royal instruierte er James
Challis (1803-1882), Plumian Professor für Astronomie in Cambridge (England), in der Angelegenheit und bat nachdrücklich, mit
der Suche nach Planet X zu beginnen.
Allein, die Wetterlage auf den Britischen Inseln war im Sommer
1846 denkbar ungünstig. Regenwolken verhinderten meist die
Suche. Aber auch bei sternklarem Himmel war die Suchmethode
wenig professionell. Airy ließ von Challis und dessen Assistenten
ein Gebiet von 30° ekliptikaler Länge und 10° eklip tikaler Breite mit
der Position von Planet X im Zentrum absuchen. Challis begann
mit der Suche am 29. Juli 1846. Alle Sterne bis zur 9. Größenklasse in diesem Feld zu überprüfen, war eine Arbeit, die Jahre
beansprucht hätte. Jeder Stern hätte mehrmals in Karten eingetragen werden müssen und alle Positionen wären zu prüfen
gewesen, ob sich ein Lichtpünktchen verschoben hat und damit
kein Fixstern sein konnte.
Leverrier trug seine Ergebnisse in einem Vortrag der Pariser
Akademie der Wissenschaften vor. Man war stolz auf den
berühmten Landsmann und kein Franzose zweifelte an der
Existenz des Planeten X und Leverriers Berechnung. Doch
niemand in Frankreich suchte am Sternenhimmel den Planeten.
Die französischen Astronomen hatten wohl Angst, sich zu
blamieren, wenn sie ihn nicht fänden.
Wahre und berechnete Bahnen von Neptun.
So sandte Leverrier seine Kalkulationen an seinen deutschen
Kollegen Johann Gottfried Galle (1812-1910). Leverrier hatte die
große Halbachse der Bahn von Planet X zu 36,154 AE, die
numerische Exzentrizität mit e = 0,17 und die Masse mit 32,3
Erdmassen angesetzt. Die Depesche von Leverrier traf am 23.
September 1846 in der Berliner Sternwarte ein. An diesem Tag
hatte der Direktor der Berliner Sternwarte, Johann Franz Encke
(1791-1865), seinen 55. Geburtstag. Statt an der Geburtstagsfeier
teilzunehmen, bat der damals 34-jährige Assistent Galle, nach
dem Planeten X suchen zu dürfen. Denn der Himmel über Berlin
war sternklar. Galle machte sich unverzüglich an die Arbeit, wobei
ihm der 24-jährige Student Heinrich d’Arrest (1822-1875) unterstützte. Beiden stand das eben fertiggestellte Blatt XXI des neuen
Sternatlas von Carl Bremiker zur Verfügung. Nach relativ kurzem
Suchen fanden sie noch am Abend ein Objekt, das seine Position
gegenüber der Sternkarte verschoben hatte. Heureka, der 13.
Planet unseres Sonnensystems war gefunden! Er stand nur 55
Bogenminuten von der von Leverrier berechneten Position im
Sternbild Wassermann entfernt, aber 1,5° von dem vo n Adams
kalkulierten Ort. Ironie des Schicksals: Challis beobachtete bereits
am 4. und 12. August 1846 den gesuchten Planeten, ohne ihn zu
erkennen!
Planet X heißt Neptun
Nach längerem Streit erhielt der zunächst am Schreibtisch und
dann erst am Firmament entdeckte Planet den Namen des
Meeresgottes Neptun. In die Annalen der Astronomie wurde
Neptun als 13. Planet unseres Sonnensystems eingetragen.
Neptun umrundet sie Sonne einmal in 165 Jahren in einem
mittleren Sonnenabstand von 30 AE. Er ist damit näher als Adams
und Leverrier Annahmen. Mit 17 Erdmassen ist er auch masseärmer als ursprünglich vorausgesetzt, um die Uranusstörungen zu
erklären. Da er aber näher ist, reicht die geringere Masse, um die
gleiche Schwerkraftwirkung auf Uranus auszuüben. Mit knapp 8m
Oppositionshelligkeit ist er auch heller als vermutet.
Nach Venus weicht die Neptunbahn am geringsten von der
Kreisform ab. Ihre numerische Exzentrizität beträgt nur 0,010 und
die Bahnneigung zur Ekliptik ist mit i=1°46’ recht klein. Inzwischen
hat Neptun seit seiner Entdeckung einmal die Sonne voll umrundet
und steht nun wieder im Sternbild Wassermann.
Nur knapp drei Wochen später, am 10. Oktober 1846, fand der
britische Bierbrauer und Amateurastronom aus Liverpool William
Lassell (1799-1880) den mit 2707 Kilometer Durchmesser größten
Neptunmond namens Triton. Triton ist im Mittel 355 000 Kilometer
von Neptun entfernt, dies ist fast die gleiche Distanz wie bei Erde
und Mond (384 000 Kilometer). Allerdings läuft Triton retrograd in
sechs Tagen um Neptun. Der zweite Neptunmond, die Nereide,
wurde erst 1949 von Kuiper entdeckt.
Schon bald nach Entdeckung des 13. Planeten spürte abermals
Postmeister Hencke einen neuen Planeten auf: Am 1. Juli 1847
entdeckte er den 14. Planeten, der Hebe nach der Göttin der
Jugendschönheit getauft wurde. Hebe erscheint ebenfalls
punktförmig und wandert in einem mittleren Abstand von 2,43 AE
in 3,78 Jahren um die Sonne. Bis 1851 waren schon 23 Planeten
bekannt. Da erinnerte man sich eines Vorschlags von Wilhelm
Herschel aus dem Jahre 1847, als die Hebe aufgefunden wurde:
Alle punktförmigen, also kleinen Planeten, die zwischen der Marsund der Jupiterbahn die Sonne umrunden, sind in die Kategorie
der Kleinplaneten oder Planetoiden einzuordnen. Die Reklassifizierung wurde schließlich 1849 beschlossen. Damit war nun
Neptun der achte Planet neben einer immer größer werdenden
Zahl von Planetoiden. Dies blieb so bis zum Februar 1930, als
Clyde Tombaugh (1906-1997) den Pluto fand, dessen Durchmesser ursprünglich auf 14 000 Kilometer geschätzt wurde. Damit
erhöhte sich die Zahl der Planeten auf neun. Interessanterweise
passt die mittlere Sonnendistanz von Pluto mit 39,9 AE wieder
recht gut in die Titius-Bode-Reihe. Nachdem Neptun nicht in diese
Reihe einzuordnen war, taten die meisten Astronomen diese als
schiere „Numerologie“ ab.
Schließlich stellte sich heraus, dass Pluto mit 2300 Kilometer nur
halb so groß ist wie Merkur. Mit 17° Neigung zur Ek liptik und einer
numerischen Exzentrizität von fast 0,25 entspricht die Plutobahn
eher einer Planetoidenbahn. Als man um die Wende zum 21.
Jahrhundert jenseits der Neptunbahn weitere die Sonne umkreisende Körper (TNO = Transneptunische Objekte) fand – wie Eris,
Sedna, Easterbunny, Orcus, Quaoar, Varuna u.a. – entschloss
sich die IAU, die neue Klasse der Zwergplaneten (Dwarf Planets)
einzuführen. Damit hat unser Sonnensystem nun wieder acht
Planeten, und dies wohl für eine lange Zeit.