Warum sind im Universum „zweiseitige Planeten“ verborgen?

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Autor: Shu Bo (populärwissenschaftlicher Autor)

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In der antiken römischen Mythologie hat der zweigesichtige Gott Janus zwei Gesichter, eines blickt in die Zukunft und das andere zurück in die Geschichte. Als die Menschen der Antike Janus schnitzten, der in den fernen Himmel blickt, hätten sie sich wahrscheinlich nicht vorstellen können, dass Astronomen zweitausend Jahre später im Universum einige seltsame zweiseitige Planeten entdecken würden. Wie Janus zeigten sie aus unterschiedlichen Richtungen betrachtet zwei völlig unterschiedliche Gesichter.

Statue des Janus in den Vatikanischen Museen

(Bildquelle: Wikipedia)

Weißer Zwerg, halb Wasserstoff, halb Helium

Der erste Typ zweiseitiger Planeten ist ein besonderer Typ weißer Zwerg. Hauptbestandteil von Sternen ist das leichteste Element im Universum: Wasserstoff, der sich bei der Kernfusion zu schwereren Elementen wie Helium verbindet und dabei Verbrennungsenergie freisetzt. Wenn kleineren Sternen wie unserer Sonne der Wasserstoff in ihrem Kern ausgeht, dehnen sie sich zu Helium verbrennenden Roten Riesen aus und produzieren die schwereren Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff. Wenn der Rote Riese schließlich stirbt, hinterlässt er einen Überrest, der hauptsächlich aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht: einen Weißen Zwerg.

Beobachtungen zufolge ist die äußere Atmosphäre eines Weißen Zwergs jedoch immer noch dieselbe wie die eines gewöhnlichen Sterns und besteht hauptsächlich aus Wasserstoff oder Helium. Laut Statistik besteht die Atmosphäre eines Weißen Zwergs zu 80 % hauptsächlich aus Wasserstoff und zu 20 % hauptsächlich aus Helium. Es scheint, dass die Atmosphäre eines Weißen Zwergs unterschiedliche Zusammensetzungen hat, genau wie die verschiedenen „Blutgruppen“ im menschlichen Körper.

Allerdings gibt es beim Menschen nicht nur die vier Blutgruppen A, B, AB und O. Es gibt auch seltene „Panda-Blutgruppen“ wie Rh-negatives Blut, und das Gleiche gilt für Weiße Zwerge.

Im Jahr 2023 beobachteten Astronomen einen Weißen Zwerg mit einer seltenen Atmosphäre und der Nummer ZTF J203349.8+322901.1 . Er befindet sich in Richtung Schwan, mehr als 1.000 Lichtjahre von uns entfernt, und dreht sich alle 15 Minuten einmal.

Ein doppelseitiger Weißer Zwerg: Die Seite mit der Wasserstoffatmosphäre ist glatt, während die Seite mit der Heliumatmosphäre mit reisähnlichen Blasen gefüllt ist.

(Bildquelle: Offizielle Website des California Institute of Technology)

Als Wissenschaftler die atmosphärische Zusammensetzung dieses Weißen Zwergs untersuchten, stellten sie überrascht fest, dass seine Atmosphäre in zwei Seiten geteilt zu sein schien. Eine Seite bestand hauptsächlich aus Wasserstoff und hatte eine glatte Oberfläche, während die andere Seite hauptsächlich aus Helium bestand und mit reisförmigen Blasen gefüllt war.

Woher kommt die seltsame Atmosphäre dieses Weißen Zwergs? Wissenschaftler vermuten, dass die Atmosphäre eines Weißen Zwergs nicht ruhig ist, sondern sich ständig verändert , und dass die Einwirkung bestimmter Faktoren dazu geführt hat, dass sie einen besonderen Zustand angenommen hat.

Zu Beginn besteht die Atmosphäre eines Weißen Zwergs hauptsächlich aus Wasserstoff. Dies liegt daran, dass die beiden Elemente Wasserstoff und Helium nicht zufällig miteinander vermischt sind. Helium ist schwerer als Wasserstoff, daher sinkt es langsam auf den Boden und bildet eine Heliumschicht, während die Wasserstoffschicht noch in der äußeren Schicht der Atmosphäre schwebt. Wenn wir einen Weißen Zwerg beobachten, scheint seine Atmosphäre hauptsächlich aus Wasserstoff zu bestehen.

Schematische Darstellung eines Weißen Zwergs mit extrem geringer Masse

Ein Weißer Zwerg mit extrem geringer Masse ist ein Typ Helium-Weißer Zwerg mit wichtigem wissenschaftlichen Wert und seine Masse beträgt im Allgemeinen weniger als 0,3 Sonnenmassen.

(Bildquelle: Caltech/IPAC)

Später wurde der Einfluss der Temperatur auf die Zusammensetzung der Atmosphäre des Weißen Zwergs deutlich. Weiße Zwerge sind erloschene Sterne, die kein Licht und keine Wärme mehr abgeben können und nur noch über Restwärme verfügen, die langsam abkühlt. Wenn die Temperatur auf etwa 30.000 °C sinkt, vermischen sich die Wasserstoffschicht und die darunterliegende Heliumschicht allmählich, und die Atmosphäre des Weißen Zwergs verändert sich von einer Wasserstoff- zu einer Helium-dominierten Atmosphäre.

Aber die oben genannten Änderungen sind alle als Ganzes aufgetreten. Dieser Weiße Zwerg besteht zur Hälfte aus Wasserstoff und zur Hälfte aus Helium und es wird spekuliert, dass das Magnetfeld wahrscheinlich die Ursache ist.

Sterne sind riesige Kugeln aus Plasmaflammen. Die elektromagnetische Aktivität im Inneren ist sehr intensiv, was zu starken Magnetfeldern führen und die Temperatur der Sternoberfläche beeinflussen kann.

Nehmen wir beispielsweise die uns bekannte Sonne: Auf ihrer Oberfläche gibt es viele Bereiche, in denen das Magnetfeld extrem stark ist. Dort wird die aus dem Inneren der Sonne zur Oberfläche strömende Konvektion durch das Magnetfeld unterdrückt , wodurch einige Bereiche mit relativ niedrigen Temperaturen entstehen, die von der Erde aus schwarz erscheinen. Dies sind Sonnenflecken .

Das Magnetfeld hat zwei Pole, daher treten Sonnenflecken oft paarweise auf.

(Fotoquelle: Hong Kong Astronomy Museum)

Selbst wenn ein Stern ausbrennt und zu einem Weißen Zwerg oder Neutronenstern wird, verschwindet das Magnetfeld nicht, sondern bleibt weiterhin bestehen.

Die Wissenschaftler, die den doppelseitigen Weißen Zwerg entdeckten, spekulierten, dass das asymmetrische Magnetfeld die Ursache sein könnte .

Das Magnetfeld auf der einen Seite ist stärker, was den „Rhythmus“ der aufrollenden Heliumschicht unterdrückt, sodass hier eine wasserstoffartige Atmosphäre entsteht und die Oberfläche ruhig und glatt erscheint; während das Magnetfeld auf der anderen Seite schwächer ist und sich die Heliumschicht viel gleichmäßiger aufrollt. Hier verwandelt sich die Hälfte der Atmosphäre zuerst in eine Heliumatmosphäre, und die Oberfläche ist ebenfalls mit Blasen bedeckt.

Halb schwarz, halb weiß

Doppelseitige Weiße Zwerge sind zu weit von uns entfernt. Um zu klären, ob die aktuelle Erklärung richtig ist, müssen in Zukunft weitere ähnliche Weiße Zwerge beobachtet werden.

Tatsächlich sind zweigesichtige seltsame Objekte wie Janus nicht alle sehr weit entfernt. Nicht weit von uns im Sonnensystem gibt es ein Objekt, das halb schwarz und halb weiß ist. Es handelt sich um den drittgrößten Satelliten des Saturn, Iapetus .

Die zwei Seiten von Iapetus

(Bildnachweis: NASA)

Iapetus ist eine Kugel mit einem Durchmesser von fast 1.500 Kilometern. Sein ikonisches Aussehen besteht darin, dass er zwei Seiten mit unterschiedlichen Schwarz-Weiß-Farben hat, eine Seite ist schwarz und die andere weiß , was dem „Todesstern“ im Film „Star Wars“ ziemlich ähnlich ist.

Als der Astronom Cassini diesen Satelliten vor über 300 Jahren entdeckte, bemerkte er etwas Ungewöhnliches: Die Helligkeit des achten Mondes des Titan konnte bei unterschiedlichen Beobachtungszeiten um das Fünf- oder Sechsfache variieren. Er vermutete, dass dies daran lag, dass eine Seite von Iapetus sehr hell und die andere Seite sehr dunkel war. Spätere Generationen beobachteten mit moderneren Teleskopen und bewiesen, dass seine Vermutung richtig war.

Woher also kommen die Schwarz-Weiß-Töne von Iapetus?

Lassen Sie uns zuerst über Weiß sprechen. Satelliten wie Iapetus, die weiter von der Sonne entfernt sind, sind reich an Eis, und Weiß ist die Farbe des Eises . Und was ist mit Schwarz? Die dunklen Bereiche entstehen durch organische Verbindungen auf der Oberfläche von Iapetus, die durch direkte Sonneneinstrahlung gebacken und schwarz geworden sind.

Die Verbindung der beiden Seiten von Iapetus

(Bildnachweis: NASA)

Aber warum konzentrieren sich die hellen und die dunklen Bereiche so dicht beieinander, dass jeder die Hälfte des Planeten einnimmt?

Die gängige Erklärung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft lautet heute , dass dies alles daran liegt, dass sich Iapetus zu langsam dreht .

Titan benötigt 79 Tage für eine Umrundung. Während dieser Zeit wird der Temperaturunterschied zwischen der Sonnenseite und der Schattenseite immer größer, wodurch ein „thermischer Rückkopplungseffekt“ entsteht.

Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass schwarze Kleidung Wärme leichter absorbiert als weiße Kleidung, und das Material auf der Oberfläche von Titan ist da keine Ausnahme.

Bereiche, die mit dunkler Materie bedeckt sind, absorbieren Wärme leichter als Bereiche, die mit heller Materie bedeckt sind. Daher sublimiert das Eis dort zu Gas, fließt vom Boden in die Atmosphäre, treibt dann auf die kalte, schattige Seite, kondensiert am Boden und verwandelt sich wieder in Eis, wodurch der Bereich weißer wird.

Verschiedene Himmelskörper im Sonnensystem

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Anfangs verschob sich nur eine kleine Menge des Oberflächeneises von Iapetus und die Farbunterschiede zwischen den verschiedenen Teilen der Planetenoberfläche waren minimal. Doch nach Milliarden von Jahren der Veränderung wurde die dunkle Seite immer dunkler, während die andere Seite durch das vorbeitreibende Eis immer weißer „gestrichen“ wurde. Somit hat der achte Mond des Titanen ein „Yin-Yang-Gesicht“.

Tatsächlich ist Titan im Sonnensystem nicht der einzige Himmelskörper, der durch aus der Atmosphäre übertragene Materie gefärbt ist. Beispielsweise ist Charon, der größte Satellit von Pluto , ein Satellit, der von Plutos transplanetarem System umkreist wird.

Pluto und Charon haben sehr unterschiedliche Farben. Pluto ist mit einer roten Substanz namens „Thorin“ bedeckt, daher ist der größte Teil seiner Oberfläche rot; Während die Oberfläche von Charon größtenteils weiß ist, sind seine Pole wie die von Pluto rot.

Pluto und sein Mond Charon, fotografiert von der Sonde New Horizons im Jahr 2015

(Bildquelle: Wikipedia)

Das eisige Material auf Plutos Oberfläche verwandelt sich unter Sonneneinstrahlung in Gas, daher hat er auch eine dünne Atmosphäre. Die Entfernung zwischen Pluto und Charon beträgt weniger als 20.000 Kilometer, was etwa einem Zwanzigstel der Entfernung zwischen Erde und Mond entspricht. Viele Substanzen aus Plutos Atmosphäre sind auf den Nachbarplaneten gelangt, darunter auch Thorin. Diese rote Substanz gefror an Charons Polen und färbte die Umgebung rot.

Abschluss

Es scheint, dass es im Universum immer alle möglichen seltsamen und bizarren Himmelskörper gibt, die nur darauf warten, von uns gelüftet zu werden – seien es die weißen Zwerge weit draußen am Himmel oder das Sonnensystem in unserer Nähe.

Menschen, die wie Janus die moderne Wissenschaft beherrschen, konzentrieren ihre Erforschung sowohl auf die Vergangenheit als auch auf die Zukunft. Sie lernen aus historischem Wissen und berühren gleichzeitig die Grenzen neuer Erkenntnisse. Ich bin überzeugt, dass wir in Zukunft noch mehr erstaunliche Entdeckungen machen werden.

Quellen:

[1] Kong Xiao, Luo A-li. Suche nach Weißen Zwergen in Himmelsdurchmusterungsprojekten[J]. Fortschritte in der Astronomie, 2019, 37(03): 287-303.

[2]Seltsamer zweigesichtiger sterbender Stern „Janus“ verblüfft Wissenschaftler mit kosmischer Merkwürdigkeit, Space.com, von Monisha Ravisetti, veröffentlicht am 20. Juli 2023.

[3]Caiazzo, Ilaria, et al. „Ein rotierender Weißer Zwerg weist auf seinen gegenüberliegenden Seiten unterschiedliche Zusammensetzungen auf.“ Nature (2023): 1-6.

[4]Lapetus: Saturns Yin-Yang-Mond, Space.com, von Nola Taylor Tillman, veröffentlicht am 28. Juni 2016.

[5]Wissenschaftler erklären Plutos rothaarigen Mond, von Nola Taylor Tillman, SPACE.com am 14. September 2016.