Pluto - der vergessene Planet

Einleitung

Als 1846 der Planet Neptun entdeckt wurde, war dies eine Meisterleistung der Rechenkunst. Doch sie mündete bald in die Suche nach einem neuen Planeten, der 1930 entdeckte Pluto. Doch bald verstummte das wissenschaftliche Interesse an Pluto, der in vielerlei Hinsicht eine außergewöhnliche Erscheinung ist. Dem erneuten Interesse an Pluto ab 1978 folgen nun wieder Rückschläge, die mit dem Streichen der Raumsonde Pluto-Kuiper Express gipfelten. Letzteres habe ich zum Anlass genommen mal etwas genauer über diesen letzten Planeten des Sonnensystems, den noch keine Raumsonde besucht hat, zu schreiben. Hinweis: Dieser Artikel entstand vor dem Vorbeiflug von New Horizons und gibt den Forschungsstand von 2007 wieder.

Die Entdeckung

1846 wurde der Neptun entdeckt - als erster Planet durch Berechnung. Man entdeckte das Uranus in seiner Bahn Störungen aufwies und vermutete als Ursache einen weiteren Planeten jenseits Uranus. An der berechneten Position fand man dann Neptun, der Uranus in Größe und Zusammensetzung sehr gleicht. Doch schon bald lagen die ersten Bahndaten vor und sie wurden immer genauer je länger man Neptun beobachtete. Es zeigte sich, das Neptun nicht alleine die Ursache der Bahnstörungen von Uranus sein konnte. So begann bald darauf die Suche nach dem Planeten X.

Doch sie endete auch wieder. Als man Ende des letzten Jahrhunderts die Photographie einführte, und so in aller Ruhe auch schwächere Objekte aufzeichnen, und am Tag die Platten auswerten konnte, wurde bald die Meinung laut es gäbe keinen Planet X. Einen hellen Planeten der noch dazu als kleiner Fleck - im Gegensatz zu den Punkten bei Sternen - auf den Platten erscheinen müsste, könnte man einfach nicht übersehen.

Einzig Percival Lovell - der sich schon bekannt gemacht hatte durch seine Spekulationen an den Mars Kanälen, hielt noch nach 1900 an dieser Idee fest. Er machte Berechnungen und kam zu einer Bahn, die einige Ähnlichkeit mit der des Plutos hatte, jedoch zu wenig um ihn mit einer gezielten Suche zu finden. Er verwandte ein Verfahren bei dem man Fotoplatten abwechselnd sah und so Veränderungen durch Blinken der Sterne erkennen konnte. Seine Suche führte aber nicht zu Erfolgen und 1916 starb Percival Lovell. In seinem Vermächtnis machte er aber zur Auflage, das man die Suche nach dem Planeten nicht aufgeben sollte

1929 arbeitete schließlich der junge Astronom Clyde Tombaugh in dem Observatorium von Percival Lovell und erfüllte das Vermächtnis von ihm. Nacht für Nacht belichtete er Fotoplatten entlang der Ekliptik um sie dann tagsüber in einem Blinkkomperator zu Vergleichen. Er entdeckte neue Sterne, Planetoiden, aber nicht den gesuchten Planet X. Bis 1930, da fiel ein ganz schwaches Objekt auf das sich während 3 er Tage nur um 3.5 mm auf den Fotoplatten bewegt hatte. Da ein Objekt um so langsamer sich um die Sonne bewegt je weiter es von der Sonne entfernt ist war dies ein Hinweis auf den neuen Planeten. Man suchte auf anderen Platten nach dem Objekt und konnte bald seine Bahn berechnen. Es zeigte sich, das der Planet in einer Bahn jenseits Neptun verlaufen musste.

Man gab die Entdeckung am 75.sten Geburtstag von Percival Lovell am 16.3.1930 bekannt und benannte den Planeten Pluto - Eine Entscheidung die Tombaugh gefiel, denn die Initialen von Percival Lovell waren darin und das Symbol ein P mit einem überlagerten L erinnerte auch daran.

Bahn und Größe

Sehr rasch konnte man durch Ausmessung älterer Fotoplatten einen Teil der Bahn von Pluto konstruieren und kam auf die erste Überraschung:

Die Bahn von Pluto ist exzentrischer als die jedes anderen Planeten: Bei einer mittleren Entfernung von 5900 Mill. km verläuft die Bahn zwischen 4425 und 7350 Millionen km von der Sonne. Im nächsten Punkt ist Pluto sogar näher der Sonne als Neptun!
Die Bahn ist um 17° Grad zur Bahnebene der Erde geneigt - ebenfalls ein sehr hoher Wert. Die anderen Planeten bewegen sich bis auf Merkur in dieser Ebene und dieser hat nur eine Neigung von 7°. Durch diese Neigung kommt Pluto auch Neptun nie nahe, auch wenn sich dieser in gleicher Entfernung und Ort befindet.
Die Bahn befindet sich in Resonanz mit Neptun: Wenn Neptun 3 Umläufe absolviert hat, dann hat Pluto zwei durchlaufen und sie befinden sich wieder an den gleichen Positionen. Man spricht auch von einer 3:2 Resonanz.

Nun ging es um die Größe. Eines wahr sofort klar: Pluto war sehr klein, denn er erschien auf den Fotoplatten nur als Punkt, d.h. er musste kleiner als die Auflösung der Teleskope sein, die in dieser Entfernung ungefähr 30000 km betrug. Zudem war er schwach. Neptun hat eine Helligkeit die 125 mal höher war und selbst der große Neptunmond Triton hatte eine größere Helligkeit. Das Problem ist aber das ein dunkler Körper entweder ein sehr kleiner Körper mit hoher Reflexionskraft, oder ein größerer Körper mit kleiner Reflexionskraft sein konnte. So reflektiert unser Mond 7 % des Lichts, dagegen die Venus 75 %. Lange Zeit nahm man an das Pluto ein großer Körper war, auch weil man ja noch die fehlende Abweichung der Neptunbahn erklären musste und ein großer Körper war hier von Vorteil. Doch der Durchmesser des Plutos sank mit steigender Genauigkeit immer weiter ab. Ich habe dies an anderer Stelle schon erörtert. Anfangs meinte man das Pluto 6800 km groß sein musste und aus Gestein besteht, mithin dunkel ist. Doch der Durchmesser sank über 5860, 4000, 3000, 2700 km auf den heute gültigen Wert von 2306 km ± 10 km. Immerhin nur ein Drittel des ersten Wertes. Die Oberfläche von Pluto besteht aus Eis mit Methanbeimischungen und reflektiert sehr viel Licht.

Das Desinteresse

Pluto und Charon aufgenommen mit dem HST Damit war eigentlich schon das Schicksal des Pluto besiegelt. Er war zu klein um viel von der Erde aus feststellen zu können. Immerhin konnte man noch aus Helligkeitsschwankungen die Rotationsperiode von 6.39 Tagen ermitteln. Es schloss sich eine lange Zeit an, in der sich fast niemand mehr für Pluto interessierte, aber auch nicht für die anderen Planeten. Die Astronomie widmete sich Galaxien, Pulsaren, Quasaren und veränderlichen Sternen. Dies änderte sich erst mit der Raumfahrt in den sechziger Jahren. Doch zuerst galt das Interesse zuerst nur Mars und Venus, die man innerhalb weniger Monate erreichen konnte. Auch als man Ende der siebziger Jahre die Voyager Missionen plante, war Pluto außen vor - obgleich er von einer Voyager Sonde erreichbar gewesen wäre. Man befand den Planeten für zu uninteressant und man wusste ja nicht einmal ob die Sonden so lange funktionieren würden.

Im Jahre 1978 und 1979 jedoch änderte sich das Bild dramatisch. Zum einen entdeckte man 1978 einen Mond um Pluto - er war vorher nie aufgefallen, da er sich nie um mehr als 18.000 km von Pluto entfernt und so bisher fotographisch nicht getrennt werden konnte. Das erste Bild zeigte den Mond auch nur als "Beule" von Pluto. Nun war auch klar woher die 6.39 Tages Rotation herrührte: Die Helligkeitsschwankungen waren durch den Umlauf des Mondes in 6.39 Tagen zustande gekommen. Bald erkannte man das der Mond Charon halb so groß wie Pluto ist und beide fast ein Doppelplanetensystem bilden. Im Vergleich zum Planeten hat Pluto den größten Mond, der den Planeten bei einem Winkel von 99.1° auf einer fast polaren Bahn umkreist. Der Planet und Mond rotieren gebunden, d.h. auch der Planet braucht 6.39 Tage für eine Umdrehung. Dies liegt darin das die Masse von Charon ein Zehntel der Masse Plutos beträgt und so der Mond die Rotation abbremsen konnte. Unser Mond hat auch schon die Erdrotation von 16 auf 24 Stunden verlängert, doch er hat nur ein 81.stel der Masse und ist 20 mal weiter entfernt als Charon.

Als 1979 die Voyagersonden dann Jupiter erreichten änderte sich das Interesse an äußeren Planeten insbesondere Körper aus Eis nochmals. Voyager beobachtete auch die Jupitermonde. Vorher hatte man wenig Interesse an ihnen. Es gab nur einen Spezialisten für Monde im Team und man dachte es wären im Prinzip kraterbedeckte Monde wie unser Mond. Kurzum: ziemlich langweilig. Doch das änderte sich. Je weiter man nach innen im Jupitersystem kann desto interessanter wurden die Monde, der innerste Io hatte sogar aktive Vulkane! Dieser Eindruck, das es auch geologische Prozesse auf kleinen Monden und weit außerhalb der Erde gab, zeigten dann auch die weiteren Flüge an Saturn, Uranus und Neptun. Noch auf dem Neptunmond Triton - der damals genauso weit wie Pluto entfernt war konnte man 1989 aktive Geysire entdecken.

Von 1985 bis 1990 kam es zu wechselseitigen Bedeckungen von Charon und Pluto die es erlaubten viel genauere Karten des Plutos zu erstellen als mit fotographischen Aufnahmen (Man miss die Helligkeitsveränderung wenn Charon an Pluto vorbeizieht, da diese durch die abgeschatteten Gebiete entsteht kann man so die Helligkeit dieser Gebiete bestimmen und so eine synthetische Karte erstellen). Dabei stellte man auch fest, das Plutos Rotationsachse um 122 Grad zur Bahnebene geneigt ist, d.h. der Planet gegen den normalen Drehsinn des Planetensystems rotiert.

Die Renaissance

Man begann über weitere Flüge zu den äußeren Planeten nachzudenken doch nur Sonden zu Jupiter (Galileo) und Saturn (Cassini-Huygens) wurden verwirklicht. Man begann aber auch Pluto mit Teleskopen neu zu beobachten. Spektren zeigten Methan auf der Oberfläche. 1985 entdeckte man eine Methan Atmosphäre, die bis in 3200 km Höhe reicht. Als 1989 Voyager 2 auf Neptuns Mond Triton Geysire und eine Stickstoffatmosphäre entdeckte, war klar das auch kleine Himmelskörper eine Atmosphäre halten konnten. Doch wie lange? Seit 1979 war Pluto näher an der Sonne als Neptun. Bis 1999 bliebt dies auch so, doch seit 1989 entfernt er sich wieder von der Sonne. Immerhin entfielen in diese Zeit einige Bedeckungen von Charon und Pluto. Wenn der Mond vor dem Planeten vorbeizieht verändert er die Helligkeit, er deckt Gebiete ab und mit empfindlichen Geräten kann man dies messen. Es entstand so eine Karte von Pluto und Charon mit einer Auflösung von etwa 200 km. Dem gegenüber zeigen Bilder optischer Teleskope wie von Hubble (2.4 m) oder Subaru (8 m) fast keine Details.

Ernsthaft begann man nachzudenken als Anfang der neunziger Jahre mit der Clinton Administration wieder mehr Planetenforschung betrieben wurde. Doch in das neue Konzept der Discovery Sonden passt eine Pluto Mission nicht. Das liegt an mehreren Faktoren: Der Pluto ist weit von der Sonne entfernt, man braucht eine größere Startgeschwindigkeit, also eine große Rakete um eine kleine Sonde zu starten. Daneben benötigt eine Sonde nukleare Stromversorgung, da Solarzellen in dieser Entfernung kaum noch Strom liefern. Das Plutonium muss aufwendig in Reaktoren erbrütet werden und da die Amerikaner nur noch 2 Reaktoren haben die dies können ist dieser Stoff teurer als Gold: Alleine dafür wollte die amerikanische Energiebehörde 50-80 Mill. USD haben! Zuletzt dauert eine Mission bis zum Vorbeiflug mindestens 10 Jahre, was die Kosten für die Überwachung der Sonde in die Höhe treibt.

Zuerst erwog man die Sonde, ähnlich wie andere Discovery Sonden aus der schon bestehenden Technologie von Satelliten zu bauen und mit einer russischen Proton zu starten, doch dann schlug ein Übel zu, das die Amerikaner nicht ablegen können: Nationalstolz. Amerikanische Satelliten und Sonden müssen mit amerikanischen Raketen fliegen, auch wenn diese 2-3 mal teurer als eine andere Lösung sind. Damit dies möglich wird musste die Sonde so klein sein, das sie maximal 50 kg wiegt. Doch selbst optimistische Naturen glaubten nicht an eine derartige Miniaturisierung.

Doch es schien einen Neubeginn zu geben. Man plante nach den Ergebnissen von Galileo einen Orbiter um den Jupitermond Europa und später noch eine Sonde die sich über eine Jupiterbahn der Sonne stark nähern sollte. Ähnlich wie Pluto-Kuiper-Express wie nun die Sonde hieß, nutzten alle Sonden nukleare Energie, hatten Operationszeiten von 6-10 Jahren und mussten zum Jupiter fliegen. Es bot sich an für alle 3 Sonden identische Technologie zu entwickeln, und so die Kosten zu senken. Weiterhin entwickelte man die US Träger weiter und eine neue Atlas Trägerrakete sollte die dreifache Nutzlast der alten bei nur leicht gestiegenen Kosten transportieren.

Doch Ende 2000 schlug wieder das Schicksal zu. Die Kosten für alle 3 Programme waren zu hoch. Die Entwicklung neuer Technologien war um 40 % teurer als geplant und die geplanten neuen "preiswerten" Startraketen Delta 5 und Atlas 4 standen im Zeitplan zurück und waren zu teuer. So wurde Pluto Express gestoppt. Eine einfachere Sonde soll einige Jahre später starten.

Der Stopp und die Folgen

Start von New Horizons Diese Entscheidung wurde von Wissenschaftlern als großer Fehler angesehen und traf auf Unverständnis. Zum einen waren die neuen Technologien vor allem für die beiden anderen Sonden nötig. Europa Orbiter benötigte strahlungsresistente Elektronik und Solar Probe einen speziellen Hitzeschutz. Die einzige Mission die man schon mit der heutigen Technologie hätte bauen können, wurde aber gestrichen. (Die anderen beiden folgten aber kurz darauf).

Das zweite ist, das man anders bei den beiden anderen Missionen im Zeitdruck war. Pluto Express musste 2003/4 starten, da Sie nur dann den Jupiter als Sprungbrett nutzen kann und so die Reisedauer verkürzen kann. Zudem kann man durch wissenschaftliche Beobachtungen von Jupiter und seinen Monden die Mission aufwerten. Jupiter und Pluto haben nur alle 12.5 Jahre eine optimale Stellung die für etwa 2 Jahre bleibt. Die letzte 1990 wurde nicht genutzt, bei der vorletzten 1977/8 starteten die Voyagersonden.

Der dritte Grund ist das man auch in Zeitdruck ist was die Ankunftszeit beim Pluto angeht. Die exzentrische Bahn bewirkt das sich Pluto schnell von der Sonne entfernt und er kann nur eine Atmosphäre halten wenn die Temperatur hoch genug ist. Bei fortschreitender Entfernung friert die Atmosphäre aus und damit ein wichtiger Teil des Forschungsobjektes. Ab 2012 beginnt dies und bis 2016 ist die Atmosphäre ausgefroren. Die ursprüngliche Sonde hätte Pluto 2012 erreicht und wäre gerade noch rechtzeitig gekommen. Auch wenn es 2003 vom Kongress Gelder gibt - nachdem die Bush Administration die Sonde gestrichen hatte, ist der Zeitverlust von 2 Jahren nicht mehr aufzuholen.

Durch einen Protest nicht nur seitens der Wissenschaftler sondern auch von der Öffentlichkeit wurde die NASA gezwungen eine Ersatzmission auszuschreiben (Was bisher einmalig war : Der Kongress genehmigte für 2001 Mittel für eine Sonde, welche die NASA nicht beantragt hatte). Alan Stern bekam den Zuschlag für seine Sonde New Horizons. Sie sollte recht schnell entwickelt werden und übernahm dazu viele Teile anderer Sonden. Durch die nun verfügbare Atlas 551 musste sie auch nicht so leichtgewichtig sein wie die PKE Sonde. Die Sonde startete schließlich am 19.1.2006 zum Pluto, den sie am 14.7.2015 erreichen wird.

Pluto - Planet oder Planetoid

1949 veröffentlichte der Astronom Kuiper eine Berechnung, nachdem es jenseits von Neptun einen Asteroidengürtel geben sollte, der seitdem Kuiper Gürtel heißt. Zuerst war dies nur eine Idee - Asteroiden in dieser Entfernung 10 mal weiter als beim normalen Asteroidengürtel nachzuweisen, bedeutet, einen kleinen Himmelskörper der sich kaum bewegt zu finden - ein schwieriges Problem. Die größten Asteroiden der Hauptgürtels sind 2 mal kleiner als Charon den man erst nach 50 Jahren Plutobeobachtung entdeckte.

Doch in den siebziger Jahren wurde als erster außergewöhnlicher Asteroid Chiron entdeckt - Ein zirka 300 km großer Asteroid in einer Bahn zwischen Saturn und Uranus. Die Einführung neuer Großteleskope in den Achtzigern führte 1992 zur Entdeckung des ersten Asteroiden jenseits Neptuns der in 44-facher Erdentfernung seine Kreise zieht. Er war noch 1000 mal lichtschwächer als Pluto und ist kleiner als 200 km. Seitdem steigt die Zahl rapide an. Zum einen durch das Hubble Weltraumteleskop, zum anderen durch computergestützte Systeme mit CCDs auf der Erde die auch kleinste Bewegungen feststellen können. Schon 1995 gab es 50 Transplutos. Daher benannte man die Mission auch Pluto-Kuiper Express. Nach der Pluto Passage wollte man die Sonde nutzen um nach weiteren Objekten zu suchen, eventuell sogar eine größere Passage an einem Transpluto durchzuführen.

Als Nebeneffekt hat dies dazu geführt, die Diskussion erneut anzufachen ob Pluto auch ein Planet ist. Stimmen dagegen gab es schon lange. Angeheizt wird diese auch durch die Neuentdeckung des Asteroiden 2000WR1. Er ist bei der Entdeckung 6.5 Mrd. km von der Sonne entfernt und ungewöhnlich groß - 650-1300 km nach ersten Schätzungen, also so groß wie Charon. Andere Transplutos auf exzentrischeren Bahnen sind sogar noch größer. Die meisten bisher entdeckten Transpluto Asteroiden sind aber nur zwischen 200 und 500 km groß. Im Jahre 2006 hat man erstmals ein Kuiper Objekt genau vermessen welches größer als Pluto ist: Das Objekt 2003 UB 313 ist 2700 ± 300 km groß, also größer als Pluto und auch Kuiper Objekte mit Monden sind inzwischen bekannt.

Pluto und seine Monde Pluto ist für einen Planeten außergewöhnlich klein, hat eine sehr elliptische und geneigte Bahn. Ähnlich wie ein Asteroid und anders als die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun besteht er nicht aus Gas sondern aus Eis. Damit ähnelt er mehr den Monden der äußeren Planeten. Von denen 6 größer als Pluto sind. Da Triton der größte Neptunmond auf einer ebenfalls ungewöhnlichen Bahn verläuft, vermutete man seit langem, das Pluto nur ein entlaufener Neptunmond ist, der vielleicht in zwei Stücke - Pluto und Charon zerbrach. Ohne eine Vor-Ort Inspektion, wird man dies aber nie klären können. Mit Sicherheit ist Pluto aber nicht aus kleineren Transplutos des Kuipergürtel entstanden - dazu gibt es zu wenige auf einem zu großen Gebiet.

Im Jahre 2005 entdeckte man zwei weitere Monde welche den Planeten in 49500 und 64700 km Entfernung umrunden. Ihre Umlaufzeiten von 25.5 und 38.2 Tagen stehen in einer 4:1 und 6:1 Resonanz zu Charon. Die Monde sind sehr leuchtschwach, 4000 mal weniger hell als Pluto. Je nach dem Reflexionsvermögen können sie Durchmesser von 40-50 km oder 140-160 km haben. Der untere Wert (50 km für den kleineren und 60 km für den größeren) wird als am wahrscheinlichsten erachtet. Damit steht Pluto wieder etwas besonders da, allerdings hat man andere Kuiper Planetoiden nicht so intensiv beobachtet und die meisten sind auch weiter entfernt als Pluto, als dass man bei Ihnen so kleine Monde würde entdecken können. Die Monde konnten nur nach Addieren der Bilder mehrerer Stunden mit dem Hubble Teleskop gefunden werden. Die Meßschwelle, aber man gar keine Monde mehr nachweisen kann liegt nur wenig geringer. Wäre der Durchmesser etwa 2-3 mal kleiner gewesen, so hätte man sie auch mit Hubble nicht mehr finden können. Man ist sich so ziemlich sicher, das Pluto keine weiteren Monde mehr hat, die größer als 25 km sind.

Für die Tagung der International Astronomical Union (IAU) von 14-25.8.2006 gab es einen Vorschlag das Problem ob Pluto ein Planet ist oder nicht durch naturwissenschaftliche Ansätze zu lösen: Demnach ist ein Planet:
Ein Körper der über genügend Masse verfügt, dass seine Form annähernd rund ist durch die eigene Gravitationskraft.
Der Körper umkreist einen Stern, nicht einen anderen Planeten und ist kein Stern.

Nun ist natürlich die Frage was bedeutet "rund" als Definition ? Saturn hat schließlich einen Äquatordurchmesser von 120660 km und einen Poldurchmesser von 108000 km und sieht schon in kleinen Teleskopen nicht rund aus. Als Vorschlag wurde eine Mindestmasse von 5 x 10²⁰ kg und ein Mindestdurchmesser von 800 km genannt. Beides erfüllt Pluto lässig. Körper die nur aus Wasser bestehen (Dichte 1.0) müssen dagegen etwa 1000 km Größe aufweisen um die Mindestmasse von 5 x 10²⁰ kg aufzuweisen.

Vorgeschlagen werden als klassische Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und als Körper welche dieses Kriterium erfüllen Ceres, Pluto, Charon und UB 313 (Xena). Das erscheint dem Autor etwas willkürlich. Charon kommt in die Liste weil man Pluto und Charon je nach Definition auch als Doppelplanetensystem ansehen kann. (Dann hat man schon das nächste Definitionsproblem). Die Forscher schlagen die Bezeichnung "Plutons" für neue Planeten vor, die jenseits von Neptun diese Bedingungen erfüllen. Das dürften einige sein, nur weis man von den meisten nicht ihre genaue Form, also ob sie rund sind. Geht man nur von der Masse und dem Durchmesser aus, so erfüllen folgende Himmelskörper ebenfalls diese Kriterium: KBO

Orcus (1600 - 1800 km
Quaoar (1250 km)
2005 FY9 (1800 km)
2002 AW197 (890 km)

Damit würde die Zahl der Planeten auf 16 anwachsen - nach derzeitigem Kenntnisstand.

Diesem Vorschlag konnten die meisten Mitglieder der astronomischen Union nichts abgewinnen - Wahrscheinlich weil er bedeutet, dass man in nächster Zukunft weitere Planeten wird aufnehmen müssen. Stattdessen machten Sie nun endlich ernst. Es wurde vorgeschlagen, eine neue Gruppe "Zwergplaneten" aufzumachen in der zunächst Ceres, Pluto und Xena aufgenommen wurden (Charon dagegen nicht). Damit hat sich die Zahl der Planeten im Sonnensystem um 1 reduziert auf 8 und die Raumsonde New Horizons wurde auf halbem Weg zu Jupiter von einer Planetensonde zur Planetoidensonde.

Der Unterschied zum Vorschlag war, dass man eine weitere Definition hinzugefügt hat:

Ein Planet ist das dominierende Objekt in seiner Region

Deswegen fiel Pluto aus der Gruppe heraus, denn er ist nicht das dominierende Objekt in seiner Region. Es gibt andere KBO die ähnlich groß sind und in derselben Region zieht auch Neptun seine Kreise (Pluto ist ja zeitweise der Sonne näher als Neptun). Stattdessen führte man eine neue Gruppe ein, die man als "Zwergplaneten" bezeichnete. In diese kommen dann alle Himmelskörper welche die obigen Kriterien hinsichtlich Masse und Größe erfüllen, aber eben nicht das dominierende Objekt in der Region darstellen. Dies sind Ceres, Pluto und Xena. Charon hat man als Mond angesehen und daher weggelassen.

Diese Definition ist vielleicht nicht jedermanns Sache, aber sie ist logisch. Der erste Vorschlag beruhte auf dem hydrodynamischen Gleichgewicht. Vereinfacht gesagt: Ein Körper der genügend Masse aufweist wird rund sein, weil die Gravitationskraft Gesteine zum Fließen bringt. Auf der Erde gibt es aus diesem Grund keine höheren Berge als 10 km. Auf dem Mars können sie schon 27 km groß sein. Trotzdem ist das noch "rund" im Vergleich zu dem Durchmesser von 6800 km. Bei kleineren Himmelskörpern wird es schwieriger: Gestein z.B. verformt sich nur schwer. Von den Asteroiden ist nur ceres rund und dies wahrscheinlich auch mehr zufällig. Die Mischung aus Eis und Gestein im äußeren Sonnensystem ist wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Eis leichter zu verformen. Doch hier eine klare Grenze zu ziehen ist schwer. Der Saturnmond Mimas und der Uranusmond Miranda sind beide fast gleich groß, doch Miranda wurde in Stücke gerissen und als sich wieder zusammenformte war das Eis im inneren schon erkaltet und er ist wesentlich unrunder. Der KBO 2003EL61 ist z.B. elliptisch geformt mit 1300 x 1800 km Größe.

Es ist klar, dass ein so schwammiges Kriterium keine Zustimmung finden konnte. Die Zusatzbedingung berücksichtigt dagegen das System - ein Planet ist demnach ein Körper der bei seiner Entstehung möglichst viel Materie die seine Bahn kreuzte aufnahm. Er räumte also die Umgebung frei. Die Riesenplaneten konnten so sogar eine Unzahl von Planetoden einfangen. Dieses Kriterium trifft für alle 8 anderen Planeten zu. Wir haben zwar eine Reihe von Kleinplaneten die unsere Bahn kreuzen und potentiell mit der Erde kollidieren können, aber die größten dieser sind nur etwa einige km groß. Im Vergleich zu dem Erddurchmesser von 12750 km ist deren Maße vernachlässigbar.

Ceres hat dagegen zwar 40 % der Masse des Asteroidengürtels, doch dies reicht nach Ansicht der Astronomen nicht aus um das dominierende Objekt zu sein. Analoges gilt dann für Pluto und Xena. Sie gehorchen aber dem zweiten Postulat, dem hydrodynamischen Gleichgewicht. Es gibt jetzt schon eine Warteliste von 12 weiteren Körpern die man genauer untersuchen muss und die dann ebenfalls in die Gruppe der Zwergplaneten eingeordnet werden können.

Was wir heute von Pluto wissen

Das meiste was wir von Pluto wissen, verdanken wir seinem Mond Charon, der 1978 entdeckt wurde. Doch dazu später mehr. Zuallererst war die Bahn bekannt, auch wenn es bei einem so langsam bewegenden Objekt wie Pluto lange dauerte, bis die Bahn genau vermessen war. Die Vorbereitungen der New Horizons Sonde haben auch dazu geführt, dass man nun wieder vermehrt den Pluto beobachtet, Temperaturen misste und Spektren gewinnt. Als erste Ergebnisse konnte man einige physikalische Kenndaten wie Größe und Masse verfeinern und man hat 2 Monde entdeckt.

Die Bahnparameter:

Umlaufszeit 247.7 Jahre
Mittlere Entfernung: 5900 Mill. km
Exzentrizität 0.248
Bahnneigung 17.2°

Die Bahn von Pluto ist in zwei Punkten außergewöhnlich: Sie ist stark geneigt und sehr exzentrisch, Pluto nähert sich der Sonne bis auf 4437 Mill. km und entfernt sich bis auf 7363 Mill. km. Diesen Punkt erreicht Pluto im Jahre 2113. Und sie ist sehr geneigt zur den Bahnen der anderen Planeten, weshalb auch Pluto und Neptun sich nie nahe kommen, weil er im sonnennächsten Punkt nicht in der Ekliptik ist. Der einzige Planet mit ähnlichen Bahnparametern ist der Merkur - bis heute ist ein Rätsel warum gerade der sonnennächste und entfernteste Planet eine exzentrische Bahn haben. Von 1979 bis 1999 befand sich der Pluto sogar innerhalb der Neptunbahn - eine gute Gelegenheit nach einer sich nur zeitweise beim Erwärmen bildenden Atmosphäre zu suchen.

Aufgrund der Entfernung und der kleinen Größe ist Pluto in erdgebundenen Teleskopen nur als Punkt zu sehen. Seine Helligkeit wird nie größer als 14 m und sein Durchmesser beträgt bestenfalls 0.15 Bogensekunden. Damit man eine Vorstellung hat: Man braucht um Pluto visuell wahrnehmen zu können bei besten Umständen ein Teleskop von etwa 300 mm Durchmesser. Bevor adaptive Optiken eingeführt wurden hatten erdgebundene Teleskope eine maximale Auflösung von 0.5 Bogensekunden, also keine Chance Details auf Pluto zu erkennen.

Masse und Größe

Die Versuche die Größe und Masse von Pluto zu bestimmen waren lange Zeit nur von großen Ungenauigkeiten begleitet. Doch mit der Entdeckung des Mondes Charon hat sich dies geändert. Die Gesamtmasse beider Körper kann man aus der Umlaufszeit und Bahn relativ genau bestimmen, auch wenn man als Problem hat, das beide um einen gemeinsamen Schwerpunkt kreisen und nicht um das Zentrum Plutos. Daher ist die Masse von Pluto und Charon nicht genau bekannt. Genau kennt man die Gesamtmasse des Pluto-Charonssystems. Diese liegt bei 1.4570 ± 0.0009 x 10²² kg, oder 0.2 % der Erdmasse. Wie viel davon auf Pluto entfällt ist schwer zu sagen. Die besten Schätzungen für die Dichte lagen Ende 2005 bei 1.75-2.03 g/cm³, also in etwa die gleiche wie der in etwa gleich große Neptunmond Triton. Dies entspricht einer Masse von 1.29 x 10²² kg. Durch das Wandern von Charon vor Pluto konnte man den Durchmesser auf 2316 km recht genau bestimmen, da man zwar Oberflächendetails nur grob auflösen kann, aber die Abnahme des Lichts durch Wanderung von Charon vor den helleren Pluto genau vermessen kann. Durch die Dichte vermutet man das Pluto einen Silikatkern von zirka 800 km Durchmesser und einen Mantel aus Eis besitzt.

Die Planetenmonde Erdmond, Io, Europa, Ganymed, Kallisto, Titan und Triton sind größer als Pluto. Andererseits ist Pluto wesentlich größer und schwerer als der größte Planetoid des Planetoidengürtels Creses, die etwa 1000 km Durchmesser aufweist.

Oberflächendetails

Nach der gleichen Methode hat man auch eine Karte der Oberfläche von Pluto mit 200 km Auflösung angefertigt. Sie entstand mit dem HST und wird bis zur Ankunft von New Horizons oder dem Bau von Teleskopen über 30 m Durchmesser das genaueste sein was zur Verfügung steht. Da dazu die Bahn des Mondes zu uns zeigen muss, war dies nur während des sonnennächsten Punktes möglich. Pluto weist eine Polkappe auf. (Siehe Karte). New Horizons sollte eine Hälfte von Pluto mit einer Auflösung von 20 km und die andere mit etwa 800 m erfassen können.

Man vermutet das der Äquator eine Neigung von 50° zur Bahnebene hat, nur bei Uranus findet man mit 98° eine noch größere Neigung. Die Albedo beträgt etwa 63% und ist in etwa so hoch wie bei Neptun und Uranus. Pluto erscheint rötlich, sein Mond mehr grau. Er ist auch insgesamt dunkler als Pluto. Pluto reflektiert 64 % des Lichtes. Dieser Wert ist relativ hoch. Bei der Erde sind es nur 36 %. Spektrale Untersuchungen zeigten, dass die Charon zugewandte Oberfläche mehr Methan Eis aufweist und die abgewandte mehr Kohlendioxid und Stickstoffeis aufweist. Da Charon ein Achtel der Masse von Pluto hat rotiert er gebunden, d.h. Pluto und Charon weisen zueinander immer dieselben Seiten auf.

Atmosphäre

Bei Sternbedeckungen konnte 1985 eine dünne Atmosphäre nachgewiesen werden, die sich bis in 3200! km Höhe nachweisen lässt. Man fand Absorptionslinien von Methan und schwache Linien von Wasserstoff. Da in der Entfernung von Pluto die Temperaturen sehr gering sind (auf dem Neptunmond Triton, der eine Atmosphäre aus Stickstoff und Methan hat wurden nur 37 Kelvin gemessen) frieren beide Gase bei steigender Entfernung aus um nach 200 Jahren bei der nächsten Annäherung wieder zu einer Atmosphäre zu werden. Pluto hat am sonnennächsten Punkt in etwa eine Temperatur von 43 Kelvin, also nur leicht über der von Triton. Messungen im Januar 2006 zeigten dass Pluto sich anders als Charon verhält. Charon ist von seinem Spitzenwert von 67 K auf 53 K abgekühlt, während die Temperatur von Pluto relativ konstant bei 43 K blieb. Der Rückgang der Atmosphäre ist so nicht so drastisch wie befürchtet. Die Atmosphäre muss einen Anti-Treibhauseffekt aufweisen. Sie absorbiert Wärme und kühlt den Planeten dadurch ab, bleibt aber auch so erhalten. Der Druck ist von 1985 bis 2005 von 0.15 Pa auf 0.3 Pa gestiegen, wahrscheinlich weil nun die Südpolkappe dauernd dem Sonnenlicht ausgesetzt ist und dort Gase verdampfen.

Zwischen 1988 und 2002 wuchs die Atmosphäre, wahrscheinlich weil die Oberfläche sich nur langsam erwärmt und Energie speichert. Eine weitere Erklärung ist, dass die Oberflächentemperatur um 1 K gestiegen ist und sich die Atmosphäre um 40 km ausgedehnt hat. Verantwortlich soll auch dafür sein, dass man nun mehr und mehr die Südpolregion sieht, welche dunkler ist als die mittleren Breiten. Dazu passt, dass man seit 1954 eine Abnahme der Albedo von Pluto beobachtet. Die Gase lagern sich wenn sie kondensieren auf der Oberfläche ab und bedecken dann das dunklere Gestein wie auf der Erde Schnee die Erde bedeckt.

Neben Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff vermutet man Stickstoff als Atmosphärenbestandteil, doch durch die geringe Dichte konnte man keine genaue Zusammensetzung angeben, da die Spekrallinien von Stickstoff sehr schwach sind kann man diesen nicht direkt nachweisen.

Allerdings verändert sich auch bevor das letzte Gas ausgefroren ist die Zusammensetzung, d.h. die Gase kondensieren nacheinander bei fallenden Temperaturen aus. Eventuell kann New Horizons sie aber über ihre spektrale Signatur auf der Oberfläche bestimmen. Daher gab es auch die Forderung möglichst schnell eine Raumsonde zu Pluto zu senden.

Charon

Der Mond Charon macht Pluto zu einem besonderen System. Zum einen ist der Mond sehr groß: Er hat einen Durchmesser von 1205 km oder 52 % der von Pluto. Damit ist Pluto viel mehr als die Erde ein Doppelplanetensystem - unser Mond hat 27 % des Durchmessers und 1/81 stel der Erdmasse. Dagegen besitzt Charon 12 % der Masse Plutos und umkreist den Planeten in nur 19450 km auf einer kreisförmigen Bahn von 98.8° Neigung, also fast senkrecht. Die Masse von Charon ist so groß, das der Mittelpunkt der Bahn 2360 km vom Mittelpunkt Plutos abweicht, also auch Pluto diesen Mittelpunkt umkreist, denn er liegt außerhalb der Oberfläche. Charon ist wesentlich dunkler als Pluto und hat nur 38-49 % Albedo, wegen der Nähe zu Pluto sind hier genaue Angaben schwer zu machen.

Der große Mond und die nahe Bahn haben Plutos Rotation abgebremst. Er rotiert synchron mit seinem Mond, der ihn in 6.3872304 ± 0.0000011 Tagen umkreist. Auf der Erde weist uns der Mond immer dieselbe Seite zu weil seine Umdrehung mit seinem Umlauf synchronisiert ist. Pluto weist aber auch seinem Mond immer dieselbe Seite zu. Die Masse von Charon beträgt zirka 0.1165±0.0055 der Plutomasse oder 1.9x10²¹ Kg. Charon ist dunkler als Pluto und hat mit 67 Kelvin eine höhere Oberflächentemperatur als Pluto. Die Dichte ist geringer und dürfte bei 1.66-1.72 g/cm³ liegen. Hier laufen die Schätzungen weitaus weniger stark auseinander wie bei Pluto. Durch die geringe Helligkeit (6 mal geringer als von Pluto) und die Nähe zum Planeten ist Charon ein sehr schwierig zu beobachtendes Objekt.

Neue Monde

Im Jahre 2005 wurden zwei kleine Monde entdeckt, die 4000 mal schwächer als Pluto sind. Aufgrund ihrer kleinen Größe gibt es nur grobe Abschätzungen und auch die Bahndaten sind noch relativ unsicher. Die folgende Tabelle informiert über die Bahndaten aller bekannten Monde.

Größe	Charon	S/2005 P1	S/2005 P2
Helligkeit	16.28	22.93 mag	23.38 mag
Größe bei 4 % Albedo (wie Kometen)		167 ± 10 km	137 ± 11 km
Größe bei 15 % Albedo (typisch für KBO)		80 km	70 km
Größe bei 35 % Albedo (wie Charon)	1207.2 ± 2.8 km	61 ± 4 km	46 ± 4 km
Vorläufige Bahnhalbachse	19405 km	64700 ± 850 km	49500 ± 600 km
Vorläufige Umlaufszeit	6.387245 ± 0.000012 Tage	38.2 ± 0.8 Tage	25.5 ± 0.5 Tage
Exzentrizität	0.00	0.0052 ± 0.0011.	?
B-V Index	0.93	0.644 ± 0.028	0.907 ± 0.031
Bahnneigung	99,089°	?	?

Nun ist Triton ein sehr interessantes Objekt. Seine Oberfläche weist kaum Krater auf, stattdessen findet man auf ihm Geysire und Strukturen die wahrscheinlich durch mehrere Gefrier- und Auftauzyklen entstehen. Die Oberfläche besteht wahrscheinlich aus gefrorenem Stickstoff mit Spuren aus Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Ammoniak wird ebenfalls vermutet - Wie bei Pluto also Gase die bei etwas höheren Temperaturen wieder eine Atmosphäre bilden können.

Pluto und Triton

Pluto und der Neptunmond Charon ähneln sich wie zwei Zwillinge. Nimmt man zu Pluto noch Charon hinzu, so hat das System fast dieselbe Masse und Größe wie Triton. Inzwischen neigen mehr Wissenschaftler zu der Meinung, dass Pluto unabhängig entstanden ist und kein entlaufener Neptunmond ist oder das Produkt einer Katastrophe im Neptunsystem. Diese Theorie war verbreitet weil man damit den Sonderstatus von Pluto als Planet erklären konnte. Seit es aber sehr viele KBO's gibt, muss man dies nicht mehr tun. Andererseits hat Triton sehr ungewöhnliche Bahndaten, die Atmosphäre ähnelt Pluto und man hat auf Triton die gefrorenen Gase gefunden die man auch auf Pluto vermutet. Im Jahre 1989 flog die Raumsonde Voyager 2 in nur 39800 km Entfernung an Triton vorbei und konnte eine Hälfte des Mondes fotografisch erfassen und die Zusammensetzung der Oberfläche ermitteln.

	Pluto	Charon
Durchmesser	2316 km	2707 km
Masse	1.29x1022 kg	2.147x1022 kg
Dichte	1.75-20.3 g/cm³	2.05 g/cm³
Albedo	0.64	0.7
Druck Atmosphäre	0.3 pa	1 pa
Zusammensetzung Atmosphäre	98 % Stickstoff	99 % Stickstoff, 0.1 % Methan

Artikel erstellt: ca. 2007

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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