Plutos Umlaufbahn ist überraschend instabil

1930 entdeckte der Astronom Clyde Tombaugh den sagenumwobenen „Neunten Planeten“ (oder „Planet X“), als er am Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, arbeitete. Die Existenz dieses Körpers war zuvor aufgrund von Störungen in der Umlaufbahn von Uranus und Neptun vorhergesagt worden. Nach mehr als 1.000 Vorschlägen aus der ganzen Welt und einer Debatte unter den Mitarbeitern des Observatoriums erhielt dieses neu entdeckte Objekt den Namen Pluto – der von einem jungen Schulmädchen aus Oxford (Venetia Burney) vorgeschlagen wurde.

Seit dieser Zeit war Pluto Gegenstand umfangreicher Studien, einer Namenskontroverse und wurde am 14. Juli 2015 zum ersten Mal von der New Horizons-Mission besucht. Eine Sache, die von Anfang an klar war, ist die Natur von Plutos Umlaufbahn, die sehr exzentrisch und geneigt ist. Nach neuen Forschungsergebnissen ist die Umlaufbahn von Pluto über längere Zeiträume relativ stabil, unterliegt aber über kürzere Zeiträume chaotischen Störungen und Veränderungen.

Die Forschung wurde von Dr. Renu Malhotra, der Louise Foucar Marshall Professorin für wissenschaftliche Forschung am Lunar and Planetary Laboratory (LPL) der Universität von Arizona, durchgeführt; und Takashi Ito, außerordentlicher Professor am Planetary Exploration Research Center (PERC) des Chiba Institute of Technology und am Center for Computational Astrophysics des National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Das Papier, das ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Proceedings of the National Academy of Sciences.

Um es zusammenzufassen: Plutos Umlaufbahn unterscheidet sich radikal von denen der Planeten, die nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen um die Sonne in der Nähe ihres Äquators folgen, die nach außen projiziert werden (auch bekannt als die Ekliptik). Im Gegensatz dazu benötigt Pluto 248 Jahre, um eine einzige Umlaufbahn um die Sonne zu absolvieren, und folgt einer stark elliptischen Umlaufbahn, die um 17° zur Ekliptikebene des Sonnensystems geneigt ist. Die exzentrische Natur seiner Umlaufbahn bedeutet auch, dass Pluto in jeder Periode 20 Jahre damit verbringt, näher an der Sonne zu kreisen als Neptun.

Die Natur von Plutos Umlaufbahn ist ein fortwährendes Mysterium und etwas, dessen sich Astronomen sehr kurz nach seiner Entdeckung bewusst wurden. Seitdem wurden mehrere Versuche unternommen, die Vergangenheit und Zukunft seiner Umlaufbahn zu simulieren, was eine überraschende Eigenschaft enthüllte, die Pluto vor einer Kollision mit Neptun schützt. Wie Dr. Malhotra Universe Today per E-Mail mitteilte, ist dies der Orbitalresonanzzustand, der als „mittlere Bewegungsresonanz“ bekannt ist:

„Diese Bedingung stellt sicher, dass zu der Zeit, als Pluto sich in der gleichen heliozentrischen Entfernung wie Neptun befindet, sein Längengrad fast 90 Grad von Neptuns entfernt ist. Später wurde eine weitere besondere Eigenschaft von Plutos Umlaufbahn entdeckt: Pluto kommt an einem Ort weit über der Ebene ins Perihel von Neptuns Umlaufbahn; dies ist eine andere Art von Umlaufbahnresonanz, die als ‚vZLK-Oszillation‘ bekannt ist.“

Diese Abkürzung bezieht sich auf von Zeipel, Lidov und Kozai, die dieses Phänomen im Rahmen des „Drei-Körper-Problems“ untersuchten. Dieses Problem besteht darin, die Anfangspositionen und -geschwindigkeiten von drei massiven Objekten (inzwischen um Partikel erweitert) zu nehmen und ihre nachfolgende Bewegung gemäß Newtons drei Bewegungsgesetzen und seiner Theorie der universellen Gravitation zu lösen – für die es keine allgemeine Lösung gibt. Wie Dr. Malhotra hinzufügte:

„In den späten 1980er Jahren, mit der Verfügbarkeit leistungsfähigerer Computer, enthüllten numerische Simulationen eine dritte besondere Eigenschaft, nämlich dass Plutos Umlaufbahn technisch chaotisch ist, das heißt, kleine Abweichungen der Anfangsbedingungen führen zu einer exponentiellen Divergenz der Umlaufbahnlösungen über mehrere zehn Millionen Dieses Chaos ist jedoch begrenzt. In numerischen Simulationen wurde festgestellt, dass die beiden oben erwähnten besonderen Eigenschaften von Plutos Umlaufbahn über Zeitskalen von Gigajahren bestehen bleiben, was seine Umlaufbahn trotz der Chaosindikatoren bemerkenswert stabil macht.

Für ihre Studie führten Malhotra und Ito numerische Simulationen der Umlaufbahn von Pluto für bis zu fünf Milliarden Jahre in die Zukunft des Sonnensystems durch.

Insbesondere hofften sie, ungelöste Fragen zu den besonderen Umlaufbahnen von Pluto und anderen Pluto-großen Objekten (alias Plutinos) zu beantworten. Diese Fragen wurden in den letzten Jahrzehnten von Forschungsarbeiten wie der „Planetenmigrationstheorie“ behandelt, aber nur bis zu einem gewissen Punkt. Insbesondere hofften sie, ungelöste Fragen zu den besonderen Umlaufbahnen von Pluto und anderen Pluto-großen Objekten (alias Plutinos) zu beantworten. In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen versucht, diese Fragen mit neuen Theorien (wie der „Planetenmigrationstheorie“) zu beantworten, hatten jedoch nur begrenzten Erfolg.

In dieser Hypothese wurde Pluto von Neptun, der während der frühen Geschichte des Sonnensystems wanderte, in seine gegenwärtige mittlere Bewegungsresonanz gezogen. Eine wichtige Vorhersage dieser Theorie ist, dass andere Transneptunische Objekte (TNOs) die gleiche Resonanzbedingung teilen würden, was seitdem durch die Entdeckung einer großen Anzahl von Plutinos bestätigt wurde. Diese Entdeckung hat auch zu einer breiteren Akzeptanz der Planetenmigrationstheorie geführt. Aber wie Dr. Malhotra erklärte:

„Plutos Bahnneigung ist eng mit seiner vZLK-Oszillation verbunden. Also dachten wir, wenn wir die Bedingungen für Plutos vZLK-Oszillation besser verstehen könnten, könnten wir vielleicht das Rätsel seiner Neigung lösen. Wir begannen damit, die individuelle Rolle der anderen Riesenplaneten zu untersuchen (Jupiter, Saturn und Uranus) auf Plutos Umlaufbahn.“

Um dies zu tun, führten Dr. Malhotra und Ito Computersimulationen durch, in denen sie die orbitale Entwicklung von Pluto für bis zu 5 Milliarden Jahre simulierten, die acht verschiedene Kombinationen von Riesenplanetenstörungen beinhalteten. Diese N-Körper-Simulationen beinhalteten Wechselwirkungen mit:

„Wir haben festgestellt, dass keine Teilmenge der inneren drei Riesenplaneten ausreichen würde, um Plutos vZLK-Oszillation wiederherzustellen; alle drei – Jupiter, Saturn und Uranus – waren notwendig“, sagte Dr. Malhotra. „Aber was hat es mit diesen Planeten auf sich? [are] wesentlich für Plutos vZLK-Oszillation?“, fügte Dr. Malhotra hinzu. „Es werden 21 Parameter benötigt, um die Gravitationskräfte von Jupiter, Saturn und Uranus auf Pluto darzustellen. Dies ist ein unerschwinglich großer Parameterraum, den es zu erforschen gilt.“

Um diese Berechnungen zu vereinfachen, haben Dr. Malhotra und Ito diese zu einem einzigen Parameter zusammengefasst, indem sie einige Vereinfachungen eingeführt haben. Dazu gehörte die Darstellung jedes Planeten mit einem kreisförmigen Ring mit gleichmäßiger Dichte, einer Gesamtmasse gleich der des Planeten und einem Ringradius gleich der durchschnittlichen Entfernung des Planeten von der Sonne (auch bekannt als große Halbachse). Wie Dr. Malhotra andeutete, ergab dies einen einzigen Parameter, der die Wirkung von Jupiter, Saturn und Uranus (J2) repräsentierte, was der Wirkung einer „abgeplatteten Sonne“ äquivalent war.

„[W]„Wir haben eine zufällige Anordnung der Massen und Umlaufbahnen der Riesenplaneten entdeckt, die einen schmalen Bereich im J2-Parameter abgrenzt, in dem Plutos vZLK-Oszillation möglich ist, eine Art ‚Goldlöckchenzone‘“, sagte sie. „Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass während die Ära der Planetenmigration in [the] In der Geschichte des Sonnensystems haben sich die Bedingungen für transneptunische Objekte so verändert, dass viele von ihnen – einschließlich Pluto – in den vZLK-Schwingungszustand versetzt wurden. Es ist wahrscheinlich, dass Plutos Neigung während dieser dynamischen Entwicklung entstanden ist.“

Diese Ergebnisse werden wahrscheinlich erhebliche Auswirkungen auf zukünftige Studien des äußeren Sonnensystems und seiner Orbitaldynamik haben. Mit weiteren Studien glaubt Dr. Malhotra, dass Astronomen mehr über die Migrationsgeschichte der Riesenplaneten erfahren werden und wie sie sich schließlich in ihren aktuellen Umlaufbahnen niedergelassen haben. Es könnte auch zur Entdeckung eines neuartigen dynamischen Mechanismus führen, der die Ursprünge von Plutos Umlaufbahn und anderen Körpern mit starker Umlaufbahnneigung erklären wird.

Dies wird besonders nützlich für Astronomen sein, die sich dem Studium der Dynamik des Sonnensystems verschrieben haben. Wie Dr. Malhorta feststellte, begannen Forscher auf diesem Gebiet zu vermuten, dass Beweise, die Licht auf Plutos Orbitalentwicklung werfen könnten, durch die Instabilitäten und die chaotische Natur dieser gleichen Orbitalmechanik ausgelöscht worden sein könnten. Wie Dr. Malhotra zusammenfasste:

„Ich denke, dass unsere Arbeit neue Hoffnung weckt, eine Verbindung zwischen der Dynamik des heutigen Sonnensystems und der Dynamik des historischen Sonnensystems herzustellen. Der Ursprung der Bahnneigung kleinerer Planeten im gesamten Sonnensystem – einschließlich der TNOs – stellt ein großes ungelöstes Problem dar, vielleicht unsere Arbeit wird mehr Aufmerksamkeit darauf lenken.

„Ein weiterer Punkt, den unsere Studie unterstreicht, ist der Wert einfacher (r) Näherungen für ein kompliziertes Problem: Das heißt, das Zusammenfassen von 21 Parametern zu einem einzigen Parameter öffnete die Tür, um die wesentlichen dynamischen Mechanismen zu ermitteln, die das sehr interessante, aber schwer verständliche Problem beeinflussen Orbitaldynamik von Pluto und Plutinos.“