Déjà vu: Einschlag auf dem Jupiter

10. August 2009 von Carolin Liefke in Wissenschaft für alle

Zwischen dem 16. Juli und dem 22. Juli 1994 stürzten die 21 Fragmente des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter und hinterließen auffällige dunkle Einschlagspuren auf dem Planeten, die sogar mit größeren Amateurfernrohren über Monate hinweg sichtbar waren. Am 19. Juli 2009 ist Jupiter erneut von einem anderen Himmelskörper getroffen worden, und wieder sind die Spuren des Einschlages nicht nur ein Fotomotiv für Großteleskope.

Im März 1993 entdeckten Carolyn und Eugene Shoemaker zusammen mit David Levy den nach ihnen benannten Kometen auf Aufnahmen ihres Programms zur Suche nach Near-Earth-Asteroiden. Es war der neunte und letzte periodische Komet, den das Trio gemeinsam entdecken sollte, von den insgesamt 32 Kometen an deren Entdeckung Carolyn Shoemaker beteiligt war, ist Shoemaker-Levi 9 aber mit Sicherheit der bekannteste. Schon kurz nach seiner Entdeckung zeigte sich nämlich: Shoemaker-Levi 9 ist durch Jupiter arg in Mitleidenschaft gezogen worden. Zum einen war der Komet bereits bei seiner Entdeckung in mehrere Fragmente zerbrochen, zum anderen ergaben Bahnberechnungen recht schnell, daß der Komet statt die Sonne zu umkreisen in eine Umlaufbahn um den Jupiter gezwungen worden war. Daraus ergab sich dann auch bald, daß die Kometenbruchstücke demnächst auf dem Jupiter einschlagen würden.

Die Kette der Fragmente von Shoemaker-Levi 9 vor dem Einschlag, aufgenommen mit dem Hubble Space Telescope. Image Credit: NASA, ESA, and H. Weaver and E. Smith (STScI)

Den Impakt selber konnte man also vorhersagen, aber nicht was dabei passieren würde. Noch nie zuvor war unter den Augen der Wissenschaftler ein größerer Brocken auf einem Planeten des Sonnensystems eingeschlagen, schon gar nicht auf einem Gasriesen wie Jupiter. Die Spekulationen darüber was man von der Erde aus sehen können würde reichten von einem unscheinbaren "Verschlucken" der Fragmente durch Jupiters dichte Atmosphäre bis hin zu spektakulären Explosionen. Die Aussicht auf letzteres reizte natürlich die Medien, und  so fand sich Shoemaker-Levi 9 auf der Titelseite praktisch jeder Zeitung wieder.

Damals war ich 13 Jahre alt, hatte gerade die 7. Klasse hinter mir und fand in dem Teil des Artikels in den Lübecker Nachrichten über Shoemaker-Levi 9, in dem Amateurastronomen aus der Gegend zu Wort kamen, plötzlich den Namen meines Mathematiklehrers wieder. Ermutigt durch die Aussage, daß man eventuell sogar mit kleinen Fernrohren etwas sehen könnte, legte ich mich mich auf die Lauer. Meine Ausrüstung bestand damals aus einem russischen Spektiv 20x50 "Turist-3", das mein Vater für 20 DM auf dem Flohmarkt gekauft hatte, und einem wackeligen Fotostativ. Daß ich damit von den Einschlägen nichts gesehen habe, verwundert also nicht weiter, dennoch hat gerade dies mein Interesse an der Astronomie geweckt, denn die Jupitermonde konnte man in ihrem täglichen Lauf um den Planeten damit sehr wohl verfolgen. So ähnlich muß sich Galilei vor 400 Jahren gefühlt haben.

Die Shoemaker-Levi 9 Einschlagstellen auf dem Jupiter, aufgenommen mit dem Hubble Space Telescope. Image Credit: Hubble Space Telescope Comet Team and NASA
 
Wissenschaftlich gesehen übertraf die Auswertung der Beobachtung der Einschläge der Kometenfragmente alle Erwartungen. Obwohl die einzelnen Bruchstücke auf der Nachtseite des Jupiter auftrafen und die Einschläge damit nur von der Raumsonde Galileo, nicht aber von der Erde aus direkt beobachtet werden konnten, brachten auch bodengebundene Beobachtungen erstaunliches zutage. Beim Eintritt in die Atmosphäre Jupiters wirbelten die Kometenbruchstücke große Gaswolken auf, die man auch spektroskopisch untersuchen konnte - eine einmalige Gelegenheit, die chemische Zusammensetzung tiefergelegener Atmosphärenschichten Jupiters zu untersuchen. Nachdem die Einschlagstellen kurze Zeit nach dem Auftreffen ins Bildfeld rotiert waren, waren sie deutlich als solche erkennbar. Im Infrarotlicht leuchteten sie hell auf, im sichtbaren Licht waren sie dunkel. Im Laufe von Monaten dehnten sich die dunklen Flecken aus und verschwammen dann allmählich, woraus sich jede Menge Rückschlüsse über die Dynamik der Jupiteratmosphäre ableiten ließen.

Nach den Sommerferien wollte ich mehr darüber erfahren. Ich trat der Astronomie-AG unserer Schule bei, die von meinem Mathematiklehrer geleitet wurde. Bald darauf kam ein größeres Teleskop ins Haus, und so weiter... Schon vor drei Jahren wurde ich an meine ersten astronomischen Gehversuche erinnert, als im Mai 2006 die Bruchstücke des Kometen Schwassmann-Wachmann 3, der einst hier bei uns an der Hamburger Sternwarte entdeckt worden war, in einer langgezogenen Kette teilweise knapp mit bloßem Auge sichtbar über den Abendhimmel zogen.

Jupiter mit Impaktstelle (am oberen Rand links) am 1. August 2009 gegen 22:45. Mit freundlicher Genehmigung von Hartwig Lüthen

Über das Objekt, das vor nun gut drei Wochen auf dem Jupiter einschlug, weiß man nichts, der Treffer kam völlig überraschend. Infrarot-Aufnahmen mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii kurz nach der Entdeckung zeigen einen helleuchtenden Fleck, genau wie bei den Shoemaker-Levi 9 Impakten. Seitdem machen Amateurastronomen weltweit mit ihrer Photoausrüstung Jagd auf die dunkle Einschlagstelle, davon hat Jan Hattenbach ja auch schon fleißig berichtet. Dank Webcam-Videoastronomie und Lucky Imaging ist es heute im Vergleich zu damals vor 15 Jahren auch mit kleinen Teleskopen ein Leichtes, eine entsprechendes Bild zu bekommen, auch wenn die dunkle Stelle schon am verblassen ist.


Am 29. Juli 2009 verstarb Dieter Kasan, engagierter Lehrer und langjähriger Leiter der Sternwarte Lübeck, im Alter von 68 Jahren an einem Krebsleiden. Möge sein Andenken von all denen gewahrt werden, die er für Astronomie, Physik und Naturwissenschaften allgemein begeistern konnte.

 


32 Kommentare zu “Déjà vu: Einschlag auf dem Jupiter”

  1. Michael Khan Antworten | Permalink

    Die Bahn von Shoemaker-Levy 9

    Folgender Artikel ist für die, die an der reichlich merkwürdigen Bahn von Shoemaker-Levy 9 interessiert sind, hoffentlich von Interesse:

    http://seds.org/archive/sl9/Educator/toc.html

    Es ist wirklich erstaunlich, was die Mehrkoerper-Himmelsmechanik insbesondere im Fall eines so massiven Planeten wie Jupiter an Seltsamem zustandebringt.

    Wenn die Ellipse nach dem Einfang nur weit genug ist (und das war hier der Fall), dann ist es, wenn die Sonne gerade passend steht und vielleicht auch noch zufällig ein einigermaßen Vorbeiflug an einem der Galileischen Monde involviert war, dann ist es offenbar moeglich, dass aus einem heliozentrischen ein jovizentrsicher Komet wird.

    Das muss ich mal in einer stillen Stunde simulieren. Falls ich es schaffe, werde ich es kundtun.

    Wie mein Großonkel immer sagte, wenn er mit etwas Unerwartetem konfrontiert wurde: "Man hat schon Pferde ...."

  2. Carolin Liefke Antworten | Permalink

    Eingefangene Asteroiden und Kometen

    Hallo Michael,

    ein interessanter Gedanke, mal zu überlegen was eigentlich alles zusammenpassen muß, damit ein Planet sich tatsächlich einen anderen Himmelskörper einfangen kann.

    Da stellt sich doch auch glatt die Frage, welche der Monde in unserem Sonnensystem tatsächlich mit ihren Planeten gemeinsam und schon in einer entsprechenden Umlaufbahn entstanden sind und welche erst später eingesammelt wurden. Letzteres wären wohl zum größten Teil Asteroiden, aber es gibt ja doch auch einige Monde mit recht exzentrischen und stark geneigten Umlaufbahnen. Ein Hinweis darauf, daß es sich vielleicht auch um einen ehemaligen Kometen handeln könnte?

    Jede Menge Kleinkörper die sich mehr oder weniger "frei" um die Sonne bewegen, egal ob nun im Asteroidengürtel, im Kuipergürtel oder weiter draußen in der Oortschen Wolke gibt es ja. Wenn man sich aber gerade die Bahndaten kurzperiodischer Kometen anschaut, sieht man, daß Jupiter deren Bahnelemente kontinuierlich beeinflußt.

  3. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Es ist energetisch völlig unmöglich

    Es ist energetisch völlig unmöglich, dass ein Körper einen anderen Körper einfängt.

    Ohne den Abtransport der gravitativen Bindungsenergie werden sich diese beiden Körper wieder von einander entfernen.

    Eventuell nimmt ein dritter Körper diese Energie auf, aber dieser dritte Körper wird dann aus dem System katapultiert.

    Und dann waren es wieder nur noch zwei.

    Alle Versuche eine Atmosphäre zu streifen enden zwangsläufig in eben dieser Atmosphäre.

    Perigäum bleibt eben Perigäum.

  4. Carolin Liefke Antworten | Permalink

    Energie- Und Impulserhaltung

    Hallo Herr Bednarik,

    natürlich gelten bei der Himmelsmechanik die klassischen Erhaltungssätze der Physik. Aber verschiedene Energieformen kann man ineinander umwandeln. Nichts anderes passiert zum Beispiel bei der Gezeitenreibung, die den Mond kontinuierlich weiter von der Erde entfernt. Alles was zählt ist, daß die Bilanz stimmt.

    Der kritische Punkt beim "Einfangen" von Satelliten ist im übrigen nicht die Energie, sondern der Drehimpuls. Aber auch hier funktioniert der Übertrag auf einen anderen Himmelskörper und die Umwandlung von Bahndrehimpuls in Eigendrehimpuls so einfach, daß die Raumfahrt das heute routinemäßig in Form von Swing-By-Manövern ausnutzt.

    Hierbei sieht man auch ganz wunderbar den Effekt (oder eben auch nicht): Die Auswirkungen auf einen Planeten sind winzig klein und gar nicht meßbar, wenn eine kleine Raumsonde sich ein wenig am Energie- und Impulsvorrat bedient. Mit einem Asteroiden oder Kometen in Zusammenspiel mit dem Jupiter ist es nicht anders.

  5. Michael Khan Antworten | Permalink

    Mondeinfang ist etwas normales

    Die kategorische Aussage, so etwas sei ganz und gar unmoeglich, ist so nicht haltbar und auch nicht mit den Beobachtungen konsistent.

    Und nebenbei bemerkt ist der Begriff Perigäum hier auch nicht passend, denn das Perigäum bezieht sich auf den erdnächsten Punkt, hier aber geht es wohl um in erster Linie um sehr große Planeten mit vielen Monden, also in erster Linie um Jupiter und Saturn, also müsste man vom Perijovium und Perikron reden. Das ist aber nur eine Nebensache.

    Sehen wir uns doch einmal einzelne Beispiele an. Der Saturnmond Phoebe:

    http://solarsystem.nasa.gov/...m?Object=Sat_Phoebe
    http://de.wikipedia.org/wiki/Phoebe_(Mond)

    Die Umlaufbnahn dieses Mondes ist retrograd, also im Uhrzeigersinn, und die Bahnebene ist stark geneigt gegenüber dem Saturn-Aequator, aber fast gleich mit der Ebene der Bahn des Saturn um die Sonne. Damit unterscheidet sich Phoenbe daramtisch von anderen Saturnmonden, denn die laufen fast alle ziemlich nahe der Aequatorebene und prograd. Ein starkes Indiz für die Theorie, dass es sich um einen eingefangenen Zentauren handelt.

    Beim Jupiter gibt es die zahlreichen Mitglieder der Ananke, Carme und Pasiphae-Gruppen, deren Bahnen ebenfalls in Drehrichtung und Neigung stark vom Zentralplaneten und den Galileischen Monden abweichen.

    http://de.wikipedia.org/wiki/Ananke-Gruppe
    http://de.wikipedia.org/wiki/Carme-Gruppe
    http://de.wikipedia.org/wiki/Pasiphae-Gruppe

    Man kann den Einfangprozess durchaus energetisch betrachten, aber nicht mit gleichzeitiger Reduzierung auf das Zweikoerperproblem. Gerade, wenn der eingefangene Koerper sich mit geringer hyperbolischer Geschwindigkeit nähert, macht der gravitative Einfluss der Sonne sehr viel aus, ebenso der anderer groesserer Monde.

    So einfach, dass, wenn ein Mond gefangen, ein anderer herausgekickt wird, ist das nicht. Allemal dann nicht, wenn es sich wie beim Kometenkern um ein kleines Objekt im Vergleich zu einem galileischen Mond handelt.

    Nochmal: Gerade bei Jupiter ist der energetische Unterschied zwischen einer hochexzentrischen elliptischen ud einer hyperbolischen Bahn nicht groß, der Einfangprozess ist durchaus im Einklang mit den Gesetzen der Himmelsmechanik. Wäre das nicht so, hätte man ein hochgradig nicht-triviales Problem mit der Erklärung der Bahnen obengenannter Koerper.

    Das geht auch ohne "Aerocapture", also Eintauchen in die Atmosphäre, wobei es da auch nicht unbedingt so ist, dass ein Koerper, einmal eingetaucht, nicht wieder zum Vorschein kommt. Bloß taugt der Mechanismus nicht als Erklärung für den Einfang eines Kometenkerns, denn er wäre den Belastungen wohl nicht gewachsen und müsste zudem noch unterhalb der Roche-Grenze passieren.

    Ich habe schon angedroht, dass ich dazu was rechnen würde, ich sehe, ich komme nicht darum herum.

    Also: Vorsicht mit Simplifizierungen - sagt auch Frederik von Homburg.

  6. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Hallo Carolin Liefke,

    alle diese Swing-By-Manöver sind doch nur hyperbolische Flugbahnen, wenn man sie auf den betreffenden Planeten bezieht.

    So etwas wie die Gezeitenreibung gibt es doch nur bei sehr grossen und sehr weichen Himmelskörpern.

  7. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Hallo Michael Khan,

    wenn ein Mondeinfang etwas ganz normales sein soll, dann fragt sich Seine Erhabenheit, Lotd-Admiral Graf Frederik von Homburg natürlich, wie das dann genau ablaufen soll.

    Wenn ein Planet bereits zwölf Monde hat, dann wird sich sein Mondsystem eben ein wenig aufblähen um die kinetische Energie eines dort hinein stürzenen 13. Mondes abzufangen.

    Na,ja, und was passiert dann mit dem Übergang von einem null-Mond-Planeten zu einem ein-Mond-Planeten?

  8. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Aerocapture

    Die Aerocapture ist bestimmt sehr nützlich, aber dann sitzt das Perigäum ständig fest, während das Apogäum ständig absinkt.

    Natürlich kann man mit hyperbolischer Geschwindigkeit durch die Atmosphäre verschiedener Planeten knallen, aber das ist eigentlich Graf Hombugs Job.

  9. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Nicht provozierend

    Nicht provozierend gesagt, die grossen Jupitermonde entstanden gemeinsam mit Jupiter, und unser Sonnensystem entstand ebenso gemeinsam aus einer rotierenden Staubwolke.

    Nette Querschläger sind eben sehr selten, aber wir halten sie auf Grund unserer grossen Masse sehr gut aus.

  10. Carolin Liefke Antworten | Permalink

    @Karl Bednarik

    Ich glaube Sie würfeln beim Swing-By ein wenig die Effekte und beteiligten Himmelskörper durcheinander. Wenn wir da einen fiktiven Kometen, Asteroiden oder auch nur eine Raumsonde betrachten, die von einem Planeten "eingefangen" wird, dann sind die Beteiligten das einzufangende Objekt, der Planet und die Sonne, nicht aber andere Trabanten die der Planet schon hat.

    Zwischen diesen Körpern werden die Drehimpulse übertragen, und wie schon gesagt, ob Sie der Sonne oder dem Jupiter nun ein wenig davon abnehmen oder ihnen zuführen, ist nicht mehr meßbar.

    Rein theoretisch ist es rein über Swing-By-Manöver auch möglich ohne zusätzlichen Antriebsschub eine Raumsonde nicht nur zu einem anderen Planeten zu bekommen sondern im Anschluß auch in seine Umlaufbahn. Das würde jedoch viele Umläufe und entsprechend lange dauern. Ein Komet wie Shoemaker-Levi 9 hatte dagegen jede Menge Zeit, sich an den Jupiter "heranzuschrauben".

    Die großen Jupitermonde sind tatsächlich mit großer Wahrscheinlichkeit gemeinsam mit dem Jupiter entstanden. Das ändert aber nichts daran, daß das Einfangen weiterer Monde weder unmöglich noch absolut unwahrscheinlich ist.

  11. Michael Khan Antworten | Permalink

    Bahnstoerungen

    Es ist fast unmoeglich, einen im schnellen hyperbolischen Anflug ankommenden Koerper einzufangen.

    Anders sieht das beim langsamen Anflug aus. Die Bahn von Shoemaeker-Levy 9 beispielsweise hatte eine Exzentrizität von etwa 0.99 - also dast schon eine Parabel. Man muss nicht viel Energie aus der Hyperbel herausnehmen, um auf so eine Bahn zu kommen.

    Gerade exzentrische Bahnen sind sehr stark gestoert und langfristig instabil. Instabil bedeutet, dass die Exzentritzität sich stark ándert, in der regel insbesondere durch Drittkoerpersttoerung, d.h., den gravitationellen Einfluss der Sonne.

    Entweder nimmt die Exzentrizität zu. Dann stürzt der Koerper in die Sonne, wie es SL-9 erging. Oder er wird wieder in eine heliozentrische Bahn überführt, d.h., er wird dem Jupiter entrissen.

    Oder die Exzentrizität nimmt ab. Je nachdem, wie die Bahnebene und Apsidenlinie relativ zur Sonnenrichtung orientiert ist, kann genau das geschehen. Bahnstoerungen durch Monde koennen auch dazu beitragen. Deswegen muss auch nach einem Aerocapture das Perizentrum keineswegs niedrig bleiben.

    Alles fließt, sagt auch Frederik von Homburg. Man trenne sich von einer allzu statischen Betrachtung des Sonnensystems.

    Gravitativer Einfang geschieht auch bei der Erde. Das ist nicht einfach nur so eine Theorie, die einer aus der Luft greift.

    http://en.wikipedia.org/wiki/J002E3

    Wichtig ist, dass die hyperbolische Ankunftsgeschwindigkeit gering ist. Dann geht im Mehrkoerperproblem so manches, was im Zweikoerperproblem unmoeglich erscheinen mag.

  12. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Kein Untertschied

    Es macht prinzpiell keinen Untertschied, ob einige Planetoiden beschleunigt oder verzögert werden.

    Lassen wir das ruhig Graf Hombug machen.

  13. Michael Khan Antworten | Permalink

    Butter bei die Fische ....

    Folgendes Paper beschäftigt sich zwar nicht explizit mit gravitativem Einfang. Aber wenn man sich Kapitel 6 mal unbefangen zu Gemüte führt, sieht man sehr schnell, wie bei geringer Anfluggeschwindigkeit auch das Einfangmanoever klein wird. Wenn man jetzt noch ein sehr hohes Apozentrum ansetzt und die Anfluggeschwindigkeit noch weiter reduziert, was bei einem von der Erde kommenden Raumschiff niocht ohne Weiteres geht, bei einem Kometen jedoch schon, dann sollte man eigentlich einsehen, dass gravitativer Einfang kein besonders seltener Fall in der Himmelsmechanik ist.

    http://www.kosmologs.de/...iter/ISTS-2006-d-08.pdf

    Wer's nicht glauben will, darf das natürlich.

  14. Michael Khan Antworten | Permalink

    Aerocapture am Jupiter ....

    ... ist immer eine hochgradig nicht-triviale Sache.

    Die inertiale Eintrittsgeschwindigkeit liegt bei etwa 60 km/s (sic!). Wenn man äquatorial und prograd, also mit der Rotation des Planeten eintritt, dann subtrahiert das schon wieder mehr als 12.5 km/s, es verbleibt also eine relative Eintrittsgeschwindigkeit von mehr als 47 km/s.

    Immer noch mehr als genug für jede Art von Hitzeschild, selbst wenn man die Atmospháre nur streift.

  15. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Hallo Carolin Liefke, hallo Michael Khan

    danke für die interessanten Antworten.

    Kann man zumindest sagen, dass die Masse der gemeinsam aus einer Staubscheibe entstandenen Objekte wesentlich grösser ist als die Masse anderer Objekte?

    *****

    Da gibt es noch eine weitere astronomische Frage zur Energieerhaltung:

    Wenn sich die dunkle Materie in unserem Universum an bestimmten Orten zusammen ballen kann, dann muß es einen Mechanismus geben, der die dadurch frei werdende gravitative Energie nach außen hin abführt, denn sonst wäre die dunkle Materie in unserem Universum völlig gleichmäßig verteilt.

    Nur die baryonische Materie konnte sich durch die Aussendung elektromagnetischer Strahlung abkühlen.

    Warum fliegt dann die dunkle Materie nicht einfach hinten aus einem Schwerkraftzentrum heraus?

    *****

    Zeit für Scherze:

    Lichtverschmutzung war gestern, jetzt kommt die Staubverschmutzung.

    http://www.e-stories.de/...geschichten.phtml?26579

    Mit freundlichen Grüssen,
    Karl Bednarik.

  16. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Noch eine dritte Frage

    Noch eine dritte Frage nach dem Einfangen von Monden und der Ballung der dunklen Materie:

    Dämpfung und Gezeitenkräfte

    Bild:

    http://members.chello.at/....bednarik/GEZEITEN.PNG

    Ein stabförmiger Erdsatellit sollte sich durch die Gezeitenkräfte mit seiner Längsachse auf den Schwerpunkt der Erde ausrichten.

    Wenn man diesen Satelliten ausserhalb seiner Ruhelage beginnen lässt, dann sollte er um diese Ruhelage herum schwingen.

    Jetzt bauen wir in den Mittelpunkt des Satelliten ein Schwungrad ein, dessen Achse quer zur Längsachse des Satelliten steht, das reibungsarm gelagert ist, und das relativ zur Aussenwelt nicht rotiert.

    Unter diesen Bedingungen wird der Satellit mit unveränderter Frequenz
    um seine Ruhelage schwingen, und das Schwungrad weiterhin relativ zur
    Aussenwelt ruhen.

    Wenn wir nun mit Hilfe von Bremsbacken das Schwungrad blockieren, dann
    wird der Satellit etwas langsamer schwingen, aber noch immer ungedämpft.

    Wenn wir nun erlauben, daß das Schwungrad unter den Bremsbacken durchrutschen kann, dann entsteht Wärme, und die Schwingungen des Satelliten werden gedämpft.

    Das Gesetz von der Erhaltung des Drehimpulses wird dabei nicht verletzt,
    weil das Schwungrad gleich oft in die eine, wie in die andere Richtung
    mitgenommen wird.

    Wahrscheinlich kann man an Stelle des Schwungrades auch die Treibstoffreste
    in den Tanks verwenden, die die Schwingungen des Satelliten verzögert
    mitmachen.

    Ohne den Abtransport von Energie würde doch diese Schwingung nicht aufhören?

    *****

    Meine drei Fragen besitzen eine gewisse Gemeinsamkeit.

  17. Michael Khan Antworten | Permalink

    Karl Bednariks Fragen

    Ihre Fragen besitzen in der Tat eine gewisse Gemeinsamkeit, und zwar, fürchte ich, die, dass sie zum Verständnis des Einfangproblems wenig beitragen ....

    Warum muss man die Kosmologie bemühen, um so ein doch relativ einfaches himmelsmechanisches Problem, das zudem auch noch vielfach am realen Objekt beobachtet wurde, nachzuvollziehen?

  18. Michael Khan Antworten | Permalink

    Gezeitenkräfte

    Ich weiß nicht, warum nun auf Gezeitenkräften herumgeritten wird. Was haben die mit dem Einfangproblem zu tun? Nichts.

    Was Kark Bednarik in seiner "Dritten Frage" beschreibt, ist ein gravitationsgradientenstabilisierter Satellit mit Dämpfung. Solche Satelliten hat es einige gegeben, in der Frühzeit der Raumfahrt. Heute macht man das kaum noch bzw. gar nicht mehr so, weil man schon eine genauere Ausrichtung haben will.

    Die Dämpfung der unvermeidbaren Schwingung wurde damals durch eine magnetische Hystereseschleife oder durch Rohre mit viskoser Flüssigkeit erzielt.

    Alles schon mal dagewesen, man kann es nachlesen. Aber was hat das mit dem Thema zu tun?

  19. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Was hat das mit dem Thema zu tun?

    Meine Fragen zielen alle darauf ab, wie man in einer Welt ohne Reibung die kinetische Energie verteilt.

    Natürlich tritt bei nahen Begegnungen von Himmelskörpern atmosphärische Reibung und Gezeitenreibung auf, aber so nahe kommen die Himmelskörper einander nur selten.

    Auf der Erdoberfläche spielt die Reibung eine viel grössere Rolle, denn sonst könnten unsere Autos ewig ohne Benzin weiter fahren.

    Bei der Dissipation von kinetischer Energie denkt man zuerst an ihre Umwandlung in thermische Energie.

    Gerade in der Astronomie wird die kinetische Energie ständig in die potentielle Energie umgewandelt, und natürlich auch wieder zurück.

    Irreversible Vorgänge, die Wärme abgeben, kommen dort nur selten vor.

    *****

    Die dunkle Materie strahlt nicht, und sie hat nur eine gravitative Wechselwirkung mit der baryonischen Materie.

    Warum kann sich dann die dunkle Materie überhaupt in einer Gravitationsmulde anhäufen?

  20. Michael Khan Antworten | Permalink

    Reibung/Gezeiten: Irrelevant!

    Bei jedem Swingby wird die Bahnenergie verändert, ohne dass das mit Reibung oder Gezeiteneffekten zu tun hat.

    Die Saturnmonde Janus und Epimetheus verändern, allein durch gravitative Wechselwirkung miteinander, ihre gegenseitige bahn: Mal ist der eine auf einer etwas hoeheren Bahn, mal der andere, dann holen sie sich gegenseitig ein und tauschen ihre Bahnhoehen, wobei das Spielchen von vorne los geht.

    http://www.astronews.com/...2005/08/0508-022.shtml

    Auch alles ohne Reibung oder Gezeiteneffekte. Diese braucht man nicht, um zu vestehen, wie ein gravitativer Einfang läuft. Das ist eine andere Baustelle.

  21. Elias Kernchen Antworten | Permalink

    Swingbys

    @ Karl Bednarik:

    Wenn ein Asteroid auf seiner elliptischen Umlaufbahn um die Sonne in den Einflußbereich eines Planeten gerät, dann kann man seine Bewegung als hyperbolische Bahn um den Planeten beschreiben, wobei die Sonne entweder als Störkörper mitgerechnet oder für die im Vergleich zur Umlaufperiode des Asteroiden kurze Zeit des Vorbeiflugs in sehr guter Näherung sogar ganz vernachläßigt werden kann.

    Entscheidend ist folgendes: die Energie des Asteroiden in Bezug auf den Planeten ist während des Swingbys erhalten. Insbesondere ist der Betrag der Geschwindigkeit des Asteroiden in Bezug auf den Planeten vor dem Swingby und nach dem Swingby gleich groß.

    Aber: das Gravitationsfeld des Planeten hat den Vektor der relativen Geschwindigkeit gedreht.

    Wenn Sie nun die heliozentrische Geschwindigkeiten des Asterioden vor und nach dem Swingby vergleichen, stellen Sie fest, daß sich deren Beträge sehr wohl unterscheiden. Der Asteroid hat nach dem Swingby eine andere heliozentrische Umlaufbahn (und damit auch eine andere Energie) als vorher. Die Ursache dafür ist, daß die heliozentrische Geschwindigkeit die vektorielle Summe der heliozentrischen Geschwindigkeit des Planeten und der Geschwindigkeit des Asteroiden bezogen auf den Planeten ist. Durch die Drehung der letzteren beim Swingby erhöht oder erniedrigt sich die heliozentrische Energie des Asteroiden, je nachdem, auf welcher Seite er den Planeten passiert (siehe auch die graphische Darstellung auf [1]).

    Es bedarf also keiner Energiedissipation durch Reibung, Gezeiten oder sonstwas, damit ein Asteroid im kosmischen Billardspiel irgendwann von einen Planeten eingefangen wird, sondern nur der passenden Abfolge von Swingbys im Sonnensystem.

    [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Swing-By

  22. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Janus und Epimetheus

    Die Saturnmonde Janus und Epimetheus verändern, alleine durch gravitative Wechselwirkung miteinander, ihre gegenseitige Bahn.

    Ja, schon, aber beide Bahnen liegen in der Staubscheibe des Saturns, und dort sind sie auch ähnlich stark gravitativ gebunden.

    Wenn nun ein massereiches Objekt mit hyperbolischer Geschwindigkeit relativ zum Saturn ankommt, dann verteilen sich die kinetischen Energien aller beteiligten Objekte neu.

    So ein Mondsystem kann keinesfalls unbegrenzt kinetische Energie aufnehmen.

  23. Michael Khan Antworten | Permalink

    Swingbys erklärt

    Herr Bednarik, es ist sehr nett, dass Sie mir meinen Job nochmals so ausführlich erklären, insbesndere die Swingbys. Dabei wird aber immer noch etwas zwischen Zweikoerper- und Mehrkoerperproblem getrennt.

    Diese Aussage allerdings ...

    >Entscheidend ist folgendes: die Energie
    >des Asteroiden in Bezug auf den
    >Planeten ist während des Swingbys
    >erhalten. Insbesondere ist der Betrag
    >der Geschwindigkeit des Asteroiden in >Bezug auf den Planeten vor dem Swingby >und nach dem Swingby gleich groß.

    ... ist in dieser Absolutheit nicht richtig. Sie gilt dann in sehr guter Näherung, wenn der Planet klein und die hyperbolische Ankunftsgeschwindigkeit hoch ist. Bei Jupiter, wenn sich ihm beispielsweise ein Komet auf einer nicht allzu unterschiedlichen Bahn nähert, sind genau diese Umstände jedoch nicht gegeben.

    Anscheinend sind wir uns jetzt einig darüber, dass Ihre vorherige Behauptung, gravitative Einfänge seien nicht moeglich, so nicht zu halten ist.

    Schoen, dass wir uns mittlerweile nun auch darüber einig sind, dass Gezeitenkräfte hier keine Rolle spielen.

    Und dass ein Mondsystem nicht unbegrenzt kinetische Energie aufnehmen kann, ist eine Paraphrasierung meiner mittlerweile auch schon mehrfach gemachten Anmerkung, dass es zum geravitativen Einfang einer geringen hyperbolischen Ankunftsgeschwindiogkeit bedarf.

    Also sind wir uns ja fast komplett einig.

  24. Michael Khan Antworten | Permalink

    Missverständnis

    Entschuldigung, ich hatte mich verguckt und deswegen übersehen, dass Elias Kernchen Karl Bednarik die Swingbys erklärt und nicht Karl Bednarik mir.

    Das war mein Fehler.

    Den Ausführungen Elias Kernchens schließe ich mich an, mit der Einschränkung, die ich im vorigen Kommentar geltend machte, nämlich der, dass die Annahme des Energieerhalts der hyperbolischen Bahn relativ zum Zentralkoerper unterhalb einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit nicht mehr in guter Náherung zutrifft.

    Wie bereits erwähnt, gravitativer Einfang wie auch der umgekehrte Fall, nämich der, dass ein Planet einen Mond verliert, sind wohldokumentierte Ereignisse und gar nicht selten.

  25. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Zufällig der gleichen Meinung

    Es ist nicht schlimm, wenn wir einander rein zufällig der gleichen Meinung sind.

    (Das passiert gerade bei Naturwissenschaftlern immer wieder.)

    Nun rufe ich leider meine dritte Frage in Erinnerung:

    Wenn sich die dunkle Materie in unserem Universum an bestimmten Orten zusammen ballen kann, dann muß es einen Mechanismus geben, der die dadurch frei werdende gravitative Energie nach außen hin abführt, denn sonst wäre die dunkle Materie in unserem Universum völlig gleichmäßig verteilt.

    Nur die baryonische Materie konnte sich durch die Aussendung elektromagnetischer Strahlung abkühlen.

    Warum fliegt dann die dunkle Materie nicht einfach hinten aus einem Schwerkraftzentrum heraus?

    (Ich hatte als Kind ein Jo-Jo, und das hat meine Vorstellungskraft bleibend geschädigt.)

    ((Das/Die schönste Jo-Jo war aber immer noch Jojo Thorsen (Marjorie Monaghan) von den Space Rangers.))

  26. Michael Khan Antworten | Permalink

    Dunkle Materie

    @Karl Bednarik: Jetzt wäre ja der geeignete Moment, auf quantenphysikalischer Ebene über das Konzept des Zufalls zu diskutieren, da Sie das Wort erwähnen.

    Aber erstens stünde ich da schnell auf verlorenem Posten und zweitens hat das mit Carolins Post ähnlich wenig zu tun wie Ansammlungen dunkler Materie.

    Und man kann uns ja viel vorwerfen, aber doch nicht, dass wir vom Hundersten ins Tausendste kommen, das nicht.

    Was die Frage betrifft, auf die sie so beharrlich insistieren wie Graf Frederik von Hombug auf Zugang zur Raumhansa Frequent Flier Lounge im interplanetaren Flughafen Callisto:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle

  27. Elias Kernchen Antworten | Permalink

    Swingbys und Einfänge

    Herr Khan, Sie haben natürlich vollkommen recht mit Ihrem Einwand. Wenn die Zwei-Körper-Näherung auch für geringe hyperbolische Anflugsgeschwindigkeiten und massereiche Planeten gälte, dann könnte es logischerweise zu keinem Einfang kommen, weil der Asteroid sich auch ja wieder hyperbolisch entfernen würde. Diesen Umstand zu übersehen war ein schlimmer Fehler meinerseits und ich danke Ihnen für die Richtigstellung.

    In diesem Fall muß vielmehr das restringierte Drei-Körper-Problem, bestehend aus Sonne, Planet und Asteroid gelöst werden. Das geht nur noch numerisch, und die Lösungen sind nicht unmittelbar aus der Anschauung heraus verständlich (zumindest geht das mir so). Weil man im restringierten Drei-Körper-Problem die Näherung macht, daß der Asteroid im Vergleich zu den beiden Primärkörpern eine vernachlässigbare Masse hat (und deswegen keine Kräfte auf diese ausübt), gelten die üblichen Erhaltungssätze wie der für die Energie und den Drehimpuls nicht mehr. Allerdings gibt es wenigstens noch eine Erhaltungsgröße, das Jacobi Integral[1] mit einer sehr interessanten und darstellbaren Eigenschaft.

    Wie die Bezeichnung Erhaltungsgröße schon ausdrückt, bleibt der Wert des Jacobi Integrals konstant, egal wo sich der Asteroid gerade aufhält. Weil es Ort und Geschwindigkeit mit einander verküpft, kann man die sogenannten zero velocity surfaces berechnen, d.h. die Menge aller Orte im Raum an denen die Geschwindigkeit des Asteroiden verschwindet. Mit anderen Worten: diese Oberflächen kann der Asteroid nicht durchdringen (denn die Geschwindigkeit ist dort Null), d.h. er wird an diesen sozusagen reflektiert.

    Ich habe im Netz ein hübsches Bild[2] gefunden, das Schnitte durch diese Oberfläche für verschiedene Werte des Jacobi Integrals zeigt (der Punkt in der Mitte symobolisiert die Sonne, der dünnere Punkt rechts den Planeten).

    In den oberen beiden Bildern kann der Asteroid sowohl vom äußeren Sonnensystem ins innere als auch umgekehrt gelangen. Er muß nur die Lücke in der Oberfläche "erwischen". Das kann aber "schwierig" sein, denn die Lücke ist klein, und die Bewegung in keiner Weise zielgerichtet. Es kann also sein, daß sich der Asteroid über längere Zeiträume (Jahre, vielleicht Jahrtausende) in Planetennähe aufhält und immer wieder an den Oberflächen "abprallt", bis er "zufällig den Ausgang findet". Im dritten Bild kann der Asteroid nur vom inneren Sonnensytem in die Nähe des Planeten gelangen, die Flucht ins äußere Sonnensystem dagegen ist versperrt. Und im vierten Bild schließlich kann er gar nicht mehr entweichen (das entspricht z.B. der Situation eines Kommunikationssatelliten um die Erde, der in seinem Orbit gefangen ist).

    Was sich mir jetzt noch nicht ganz erschließt: wie kann es sein, daß ein (temporär) eingefangener Asteroid von einer "wilden" Drei-Körper-Bahn in einen Kepler-ähnlichen Orbit gelangt? Wie zum Beispiel bei den Marsmonden Phobos und Deimos, von denen man ja auch annimmt, daß sie eingefangene Asteroiden sind.

    [1] http://scienceworld.wolfram.com/...biIntegral.html
    [2] http://hpcc.astro.washington.edu/...vel_curves.png

  28. Michael Khan Antworten | Permalink

    (in)Stabile Mannigfaltigkeiten

    @Elias Kernchen: Oje, jetzt kommen wir schnell zu einer Diskussion, die für Blog-Kommentare zu komplex wird. Das von Ihnen sehr anschaulich beschriebene Phänomen ist der Mannigfaltigkeiten, die von der Grenzregion schwacher Stabilität weg verzweigen, und zwar hin zu elliptischen Bahnen mit relativ niedrigem Perizentrum, aber auch zu heliozentrischen Bahnen.

    Was das Problem mit den Marsmonden angeht, da sind Sie nicht der einzige, dem die Entstehung dieser Bahnen vollkommen schleierhaft ist, nach meinem Wissensstand hat nienmand bis jetzt einen halbwegs zufriedenstellenden Erklärungsansatz gefunden.

  29. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Danke

    Danke für die interessanten Antworten.

    Eine Diskussion, die für Blog-Kommentare zu komplex wird, hat genau den richtigen Informationsgehalt.

    Wenn wir vom Hundertsten ins Tausendste kommen, dann können wir mehr von einander lernen.

    *****

    Ich glaube, dass die dunkle Materie eine viel zu geringe Dichte hat, um nennenswerte Gravitationswellen zu erzeugen.

    Gravitationswellen werden eher von Neutronendoppelsternen erzeugt.

  30. Michael Khan Antworten | Permalink

    Off-Topic

    Ich finde es allerdings schon etwas gewoehnungsbedürftig und auch nicht im Einklang mit den strikten Regeln des etablierten interplanetaren Verhaltenskodex, wenn man eine Diskussion zu einem Thema quasi hijackt und zu der um ein ganz anderen thema umbiegt, die einen gerade zufällig interessiert, aber in keinem erkennbaren Sinnzusammenhang zum eigentlichen Thema des betreffenden Blog-Artikels steht.

    Nun ja, das ist wohl mein Problem.

    ***

    @Karl Bednarik und schwer Off-Topic:

    > Ich glaube, dass die dunkle Materie
    > eine viel zu geringe Dichte hat, um
    > nennenswerte Gravitationswellen zu
    > erzeugen.

    Der quantitative Wert von "nennenswert" ist mir gerade entfallen, koennten Sie mir da weiter helfen?

    "Nicht nennenswert" im Sinne von "koennen wir nicht messen" ist hier irrelevant. "Nicht nennenswert" im Sinne von "nicht ausreichend als Erklärung für das beobachtete Phänomen" ist etwas anderes, müsste aber quantitativ untermauert werden.

    > Gravitationswellen werden eher von
    > Neutronendoppelsternen erzeugt.

    Das habe ich so nicht gelernt. Nach meinem Wissensstand sendet auch das System Erde-Mond Gravitationswellen aus, natürlich nur geringer Energie und deswegen wohl kaum zu detektieren, was aber hier, im Rahmen einer energetischen Betrachtung, nicht relevant ist.

    Da geht es nur darum, ob der Mechanismus als "Abfuhr" des für ein beobachteten Phänomens "überschüssigen" Energie plausibel ist oder nicht. Ob das so ist oder nich, müsste man halt mal ausrechnen ......

  31. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Hallo Michael Khan,

    ich sehe oft Gemeinsamkeiten, wo andere Menschen Unterschiede sehen.

    Meiner Meinung nach haben alle Einfangvorgänge grosse Gemeinsamkeiten, ganz gleich ob Planet und Mond, oder dunkle Materie und baryonische Materie.

    Nach dem Urknall waren die dunkle Materie und die baryonische Materie halbwegs gleichmässig verteilt.

    Wenn sich nun zuerst die dunkle Materie zusammen ballt, dann fragt sich ein Laie wie ich, wo denn dann die kinetische Energie der dunklen Materie hinkommt.

    Naheliegend wäre eben, dass die dunkle Materie wieder hinten aus der Zusammenballung herausfliegt, und dann immer langsamer wird.

    Bei der Verdunstung von Flüssigkeitstropfen, und bei Kugelsternhaufen gibt es einen Kühlmechanismus, der darauf beruht, dass die schnellsten Moleküle oder Sterne zuerst aus der Zusammenballung heraus fliegen.

    Dadurch entstehen relativ kühle Zusammenballungen, und relativ heisses Material zwischen ihnen.

    Selbstverständlich sind das nur Vermutungen, aber wo sollte ein Laie denn sonst etwas über Astronomie und Kosmologie lernen?

    Mit Dank für Ihre Antwort im Voraus,
    und mit freundlichen Grüssen,
    Karl Bednarik.

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