Der Sonnensystemsimulator

So, weil icch derzeit so viel um die Ohren hab, machen wir mal was neues: Während ich ein Programm entwickele, schreibe ich gleichzeitig die Hilfe und die erscheint hier im Blog. Das Programm kann noch nicht alles und ich habe noch einiges was ich dran ändern will, aber das was ich beschreibe geht schon  Rechnet also noch nicht mit einer endgültigen Fassung, sondern eher einer alpha. Das heißt ja in Neudeutsch nicht mehr Alpha, sondern „Early Access“ und zumindest Steam lässt isch das bei Jagged alliance flashback gut bezahlen.

So nun zu meinem aktuellen Programm in der Arbeit: Dem Sonnensystemsimulator

Der Sonnensystem Simulator ist im allgemeinen ein Simulator der Gravitationswirkungen von N Körpern untereinander. Auch wenn sie damit im Prinzip alles simulieren können, z.B. zahlreiche Protoplaneten oder Sterne in einem Sternhaufen, so ist es prinzipiell dafür gedacht, das Sonnensystem oder Körper darin zu simulieren. Sie können damit:

• Das Sonnensystem wie es ist simulieren und Veränderungen über Jahrtausende verfolgen
• Die Veränderungen einzelner Körper wie Asteroiden auf elliptischen Bahnen simulieren
• den Flug von Satelliten und Raumsonden verfolgen
• Was wäre wenn Simulationen anstellen, z-.B.: was wäre wenn wir ein Doppelsternsystem hätten

Fangen wir aber mal an mit der Bedienung. Der Downloadlink ist am Ende des Artikels.

Das Tutorial

In diesem Tutorial lernen sie die Benutzung des Sonnensystemsimulators kennen. Das erste was wir machen wollen, ist einfach mal das Sonnensystem simulieren.

Gehen sie in den Punkt „Einstellungen“ → „Körper eingeben“ und klicken sie dort auf „Planeten„. Damit nehmen sie die Bahndaten der Planeten und ihre Positionen Mitte Juli 2014 in die Liste der zu simulierenden Körper aus. Klicken sie nun auf „Start“ und nach einigen Minuten erhalten sie folgendes Bild:

Das ist eine Simulation der Bahnen der Planeten für die nächste Million Tage, also rund 3000 Jahre. Die einzelnen Bahnen wurden übereinander gelegt. Die Startzeitpunkte werden mit Kreuzen angezeigt. Wo sie nur einen dünnen Strich sehen, hat sich die Bahn während der Zeit nicht geändert, wo sie dagegen einen dicken Bogen sehen gab es Veränderungen. In der Gesamtübersicht ist dies vor allem Saturn der von Jupiter gestört wird. Im Ergebnisformular sehen sie die maximalen Schwankungen seiner Bahn während des Beobachtungszeitraums:

Körper: Saturn
Bahnextrema: 1.334.937.039.327,1 x 1.531.786.910.909,9 x 179,4

Derzeit hat Saturn eine Bahn von 1338,28 x 1506,91 Millionen km. Sie wird also noch etwas exzentrischer. Der Einfluss Jupiters auf die inneren Planeten ist noch etwas größer. Doch das sieht man nur, wenn man die Darstellung vergrößert, also auf das innere Sonnensystem fokussiert.

Gehen sie dazu in „Einstellungen“ → „Simulationseinstellungen“ und ändern sie die Skalierung. Sie steht beim Start auf 5.000.000, sprich 5 Millionen Kilometer entsprechen einem Pixel auf dem Bildschirm. Damit ist die  Erdumlaufbahn gerade einmal 60 Pixel im Durchmesser. Ändern sie es auf 500.000 ab. Damit vergrößern wir um den Faktor 10 (auf einem Monitor mit einer nutzbaren Fläche von 1920 x 1000 Pixeln zeigt das Bild nun einen Ausschnitt von 500 x 960 Millionen km, die Marsbahn hat einen Durchmesser von etwa 450 Millionen km).

Klicken sie nun auf „Bild löschen“ und erneut auf „Start„. Sie erhalten nun folgendes Bild:

Deutlich wird, dass von den inneren Planeten vor allem Merkur und Mars gestört werden. (Braun und Rot gezeichnet). Merkur ist anfällig durch seine elliptische Umlaufbahn die ihn auch nahe an Erde und Venus bringt, Mars dadurch dass er Jupiter viel näher ist als jeder andere Planet.

Man kann natürlich auch neue Himmelskörper zur simulation hinzunehmen. Gehen sie nochmals ins Menü „Körper eingeben“ und klicken sie zuerst auf „Alle löschen“ um die Daten zu löschen (die Planeten haben sich ja bewegt). Dann erneut auf „Planeten“ um die Planeten hinzuzunehmen, dann auf „Chiron“ in der Liste „Vordefinierte Werte“ (Liste ganz unten rechts) und „Übernehmen„. Damit haben sie die Position- und Geschwindigkeitsdaten von Chiron in den oben befindlichen Eingabefeldern. Mittels „Anfügen“ wird er zum Datensatz hinzugenommen und taucht in der linken Liste der Körer die verwendet werden unten auf.

Die Skalierung müssen wir nun wieder anpassen, da Chiron ein Asteroid zwischen den Bahnen von Saturn und Uranus ist. Also ändern sie die Skalierung wieder auf 5e6 ab. Das Ergebnis einer Simulation sehen sie hier:

Die Bahn von Chiron wird nun massiv gestört, deutlich zu sehen an den unterschiedlichen Bahnbögen. (hier als Punkte gezeichnet, man kann auch die Punkte verbinden lassen). Sehr deutlich ist auch, dass es keine langsamen Bahnveränderungen sind, sondern die Bahnen durch Störungen sich schnell ändern können. Bis zu einem weiteren nahen Vorbeiflug an einem Planeten verbleibt Chiron dann in ähnlichen Bahnen. So kommen mindestens drei „Familien“ von Bahnen zustande. Wenn sie sich die Ergebnisse anzeigen (Menü Simulation), so fällt ihnen folgende Zeile auf:

Körper: Chiron
Bahnextrema: 875.311.271,4 x 3.148.775.929,7 x 179,9
Minimale Distanz 24.509.113,4 zu Saturn

Chiron hat sich (mindestens) einmal bis auf 24,5 Millionen km an Saturn genähert und das erklärt die veränderten Bahnen.

Man kann mit dem Sonnensystemsimulator aber auch nette „Was wäre Wenn“ Simulationen machen. So sagt die Theorie, dass Mehrfachsternensysteme nicht stabil sind. Das überprüfen wir nun mal experimentell mit dem Programm. Wir wählen dazu in der ersten Liste links Saturn aus. Die Daten erscheinen nun oben in der Maske. Nun ändern wir die Masse von 5,6850E+26 auf 5,6850E+27 ab und klicken auf „Editieren„, damit werden sie als neue Werte für Saturn übernommen und lassen die Simulation laufen:

Die höhere Masse hat nun gravierende Folgen auf Chiron. In meiner Simulation (es hängt davon ab wo sie gestoppt haben) wird er nach wenigen Umläufen auf eine extreme Ellipsenahn befördert. Die Bahnen der anderen Planeten sind aber stabil. Doch bisher ist das kein Doppelsternsystem. Noch ist Saturn in dr Simulation gerade mal dreimal schwerer als Jupiter, also legen wir noch eine Schippe drauf und erhöhen die Masse auf 5,6850E+28 kg. Nun befindet sich Jupiter auf einer unregelmäßigen Bahn und auch Uranus und Neptun haben keine kreisförmige Bahn mehr, wenn auch nicht stark gestört. Für Jupiter ergeben sich nun folgende Bahndaten:

Körper: Jupiter
Bahnextrema: 481.046.317,9 x 958.361.879,9 x 179,8

Ein Doppelsternsystem ist das aber noch nicht, sondern eines mit einem „Super-Jupiter“, (etwa dreifache Jupitermasse) damit es ein Doppelsternsystem wäre, müsste Saturn mindestens 10% der Sonnenmasse haben, das sind 1,9E29 kg, also tragen wir das mal ein.

Das Ergebnis ist drastisch – Jupiter wird nun teilweise innerhalb die Marsumlaufbahn gedrängt und dann aus dem Sonnensystem herausgeworfen. Auch der Mars wird stark gestört, lediglich Merkur bis Erde sind so sonnennah, dass ihre Bahnen stabil sind. Wenn wir nun in der Simulation ein echtes Doppelsternsystem aus zwei gleichwertigen Sternen machen (das erste war eines aus Sonne und einem roten Zwergstern der nur 10% der Sonnenmasse hat), also die Masse nochmals auf 1,9e30 erhöhen dann kommen wir zum nächsten Bild bei dem nun auch Mars und Erde nach kurzer Zeit auf chaotischen Bahnen das Sonnensystem verlassen.

Bei meiner Simulation bleiben am Ende nur noch die äußeren und innersten Planeten übrig. Die inneren sind zu nahe an der Sonne als dass sie der zehnmal weitere Saturn beeinflussen könnte die äußeren gelangen sehr bald auf noch weiter außenliegende Bahnen die dann zumindest kurzzeitig stabil sind (ob sie es über Millionen Jahre sind ist eine andere Sache) weil sie weit entfernt von Sonne und Saturn sind, allerdings sind sie satrk gestört und verlaufen eher wie Korkenzieher.

Natürlich kann man damit auch den Flug von Raumsonden simulieren. Wir wollen mal die Reise von Maven zum Mars simulieren. Löschen sie zuerst alle Daten („Alle löschen„) Geben sie dazu folgendes ein: (jeweils nach der Eingabe auf „Anfügen klicken„).

Es handelt sich um die Bahndaten von Mars und MAVEN am 2.8.2014. Nun müssen wir noch die Simulation feiner machen, denn wir wollen ja nicht über Jahrtausende simulieren, aber bei einem nahen Vorbeiflug schadet etwas mehr Genauigkeit nicht. Ändern sie in den Simulationseinstellungen die werte wie folgt ab:

• Dauer: 1000 Tage
• Intervall (Sekunden): 10 oder 1 (je nach Baujahr des Rechners)
• Plotten: 1 Tag
• Skalierung: 5e5 bis 1e6, je nach Monitorgröße.

Es ist ganz geschickt, die Daten zuerst zu speichern, (Datei → Daten speichern) dann können sie bei falschen Eingaben in der Simulation zu ihnen zurückkehren.

Wenn sie nun die Simulation starten erhalten sie folgendes Bild

und folgende Ausgabe:

Körper: Sonne
Bahnextrema: 0,0 x 0,0 x 0,0
Minimale Distanz 169.717.892,3 zu Maven
Körper: Maven
Bahnextrema: 169.717.892,3 x 230.676.520,9 x 177,2
Minimale Distanz 5.687,2 zu Mars
Körper: Mars
Bahnextrema: 207.219.260,8 x 249.496.420,9 x 180,0
Minimale Distanz 5.687,2 zu Maven

Nach der Simulation wäre MAVEN ohne Kurskorrektur in 5687 km Entfernung an Mars vorbeigeflogen. Mars hat die Bahn geändert, denn Maven gelangt anders als Mars nicht mehr zum Startpunkt zurück. Die Bahn verläuft nun etwas weiter außen. Wenn sie die Einstellungen nicht wie oben beschrieben ändern, kommen sie auf eine etwas anderes Ergebnis, dann passiert Maven den Mars in nur 5605 km Entfernung, dafür läuft die Simulation 100 bis 1000-mal schneller.

So, und hier noch der Downloadlink:

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