Wow, mein astronomisches Wissen hat sich erweitert! | Ausgabe 25

Angesichts des unbekannten Universums,

Menschen sind immer neugierige Kinder.

„Wow, mein Wissen über Astronomie hat sich erweitert!“ [Ausgabe 25]

Frage 1:

Wanling Louise [Frage] Warum haben manche Sterne Ringe und andere nicht?

A:

Wenn man von Planetenringen spricht, denkt man wahrscheinlich zuerst an Saturn mit seinem eigenen Halo. Schließlich ist dieses Bild so klassisch, dass es tief in den Herzen der Menschen verwurzelt ist.

Saturn mit seinen Ringen, dies ist der Desktop-Bildschirmschoner, den ich selbst verwende, generiert von SpaceEngine / Xu Penghui

Sicher ist, dass Saturn unter den acht Planeten des Sonnensystems nicht der einzige mit Planetenringen ist. Neben Saturn haben auch Jupiter, Uranus und Neptun ihre eigenen Planetenringe, aber ihre Planetenringe sind relativ dunkel und schwer zu erkennen. Im Gegensatz dazu wurden um die vier Gesteinsplaneten (Merkur, Venus, Erde und Mars) keine Planetenringe gefunden.

Ein von hinten beleuchtetes Foto der Ringe des Neptun. Dieses Foto wurde aus zwei Fotos zusammengesetzt, die Voyager 2 im Jahr 1989 aufgenommen hatte. Da die Ringe des Neptun so dunkel sind, musste der übermäßig helle Neptun selbst beim Aufnehmen des Fotos aus dem Blickfeld gerückt werden, und die Ringe auf beiden Seiten wurden separat fotografiert. / Internet

Was ist der Grund für diesen Unterschied? Wissenschaftler vermuten, dass die Bildung von Planetenringen mit der Masse und Schwerkraft des Planeten selbst zusammenhängt. Planeten mit größerer Masse, wie Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, haben eine stärkere Anziehungskraft. Dies wird ihnen einerseits dabei helfen, mehr interplanetare Materie als materielle Grundlage für die Bildung von Planetenringen anzuziehen; Andererseits verleihen ihnen die größere Masse und Schwerkraft einen größeren Roche-Grenzradius. Innerhalb des Roche-Grenzradius kann komplette Sternmaterie, wie etwa Satelliten, unter der Gezeitenwirkung des Planeten ihre Form nicht beibehalten und wird auseinandergerissen, wodurch ein Gürtel aus Trümmermaterie entsteht, der den Planeten umgibt. Am Beispiel der Saturnringe gibt es Spekulationen darüber, dass diese dadurch entstanden sind, dass Saturn seine eigene enorme Masse nutzte, um Materie aus dem interplanetaren Raum anzusammeln.

Eine weitere verbreitete Spekulation ist, dass die Ringe des Saturns von einem zerbrochenen Saturnmond stammen. Eine frühere Version dieser Spekulation ging davon aus, dass die Ringe des Saturn aus einem Mond ähnlicher Größe wie Mimas entstanden sein könnten, der nach mehreren Kollisionen vollständig auseinanderbrach. Eine andere, neuere Version besagt, dass dieser mögliche Satellit während der Entstehungsphase des Saturns von diesem verschluckt wurde, wobei jedoch beim Verschlucken der Eismantel des Satelliten nach und nach aus seinem Hauptkörper herausgezogen wurde und so ein ringförmiger Materialgürtel entstand. Nach einer langen Evolutionsphase bildete sich der heutige Saturnring, der hauptsächlich aus Wassereis besteht.

Die riesigen Planetenringe von J1407b, generiert von SpaceEngine / Web

Die neuen Erkenntnisse lassen jedoch darauf schließen, dass Planetenringe möglicherweise einen anderen Entstehungsmechanismus haben. Im Jahr 2007 entdeckten Wissenschaftler einen ungewöhnlichen Transit des Sterns J1407. Im Jahr 2012 bestätigten Wissenschaftler dann die Existenz des Exoplaneten J1407b und seiner Planetenringe durch eine detaillierte Interpretation relevanter Beobachtungsdaten. Überraschend ist, dass dieser Planet tatsächlich einen Planetenring mit einem Radius von 0,6 AE hat. Ein solch großer Ringradius hat offensichtlich den Roche-Grenzradius des Planeten überschritten, und der Interpretation der Beobachtungsdaten durch die Wissenschaftler zufolge scheinen sich innerhalb des Planetenrings Satelliten zu bilden. Dies lässt darauf schließen, dass Planetenringe im Verhältnis zum gesamten Lebenszyklus des Planeten (ein Zeitraum von Milliarden von Jahren) möglicherweise nicht stabil sind und dass ihre Entstehung und ihr Verschwinden ein dynamischer Prozess ist.

Haumea mit seinen Ringen. Das Seitenverhältnis des Bildes wird nicht komprimiert. Haumea ist tatsächlich eiförmig. Das Bild wurde von SpaceEngine/Internet generiert

Wissenschaftler haben außerdem entdeckt, dass einige Asteroiden neben Planeten auch eigene Ringe besitzen. Haumea, 10199 Haumea, 2060 Auch bei Haumea und anderen Himmelskörpern wurden Ringstrukturen festgestellt, doch die Schwerkraft dieser kleinen Himmelskörper reicht offensichtlich nicht aus, um andere Himmelskörper in ihrer Nähe auseinanderzureißen. Diese Entdeckungen werfen ein neues Licht auf Sternringe und lassen darauf schließen, dass es möglicherweise unbekannte Mechanismen für die Entstehung von Sternringen gibt.

[Intelligenter Roboter: Du hast mich gefragt, warum ich auch... (seufz)]

Frage 2:

Lin Bingguo [Frage] Wie sind die Ringe des Saturn entstanden? Wenn es an der Schwerkraft liegt, warum gibt es dann Lücken?

A:

Wir haben gerade über den Entstehungsmechanismus von Planetenringen gesprochen. Hier erklären wir vor allem die Ursachen für die Lücken in den Saturnringen.

Eine Ursache ist die Umlaufbahnresonanz des Satelliten. Das typischste Beispiel für die Bahnresonanz ist der Einfluss des Jupiters auf die Verteilung der Asteroiden im Asteroidengürtel entlang der großen Halbachse: Asteroiden, deren Umlaufzeit ein ganzzahliges Verhältnis zur Umlaufzeit des Jupiters hat, werden periodisch von der Schwerkraft des Jupiters beeinflusst und aus ihrer ursprünglichen Umlaufbahn gezogen, wodurch sie nicht mehr in der Lage sind, stabil zu operieren. Dieser Effekt tritt auch bei den Ringen des Saturn auf. Die berühmte Cassini-Lücke ist das „Meisterwerk“ von Mimas. Die Stelle, an der diese Lücke besteht, hat eine Umlaufzeit, die genau halb so groß ist wie die von Mimas.

Cassini-Lücke, Encke-Lücke und Saturn, generiert von SpaceEngine / G. Cataldo, 2015

Eine weitere Ursache ist die direkte Reinigung von Satelliten. In den Ringen des Saturn befinden sich auch Saturnmonde. Einige dieser Satelliten nutzen ihre eigene Schwerkraft, um das Material der Saturnringe in ihren Umlaufbahnen zu entfernen, sodass eine Ringlücke entsteht. Die Encke-Lücke wurde vom Saturnmond Saturn freigemacht.

[Intelligenter Roboter: Der kleine Satellit hat einen guten Appetit~]

Frage 3:

Yang Ming von außen [Frage] Warum gibt es einen so großen Unterschied im Verhältnis zwischen Breite und Dicke der Saturnringe?

A:

Die Breite der Saturnringe beträgt etwa 100.000 Kilometer (einige Studien zeigen, dass sie sogar noch größer sein könnten), während ihre Dicke nur 10 Meter beträgt, also ein Unterschied von fast dem 10-Millionen-Fachen. Um zu verstehen, warum dieser enorme Unterschied im Seitenverhältnis auftritt, können wir uns vielleicht ansehen, was passieren würde, wenn die Ringe des Saturn viel dicker wären als jetzt.

Würde man die derzeitige Dicke der Saturnringe vergrößern – beispielsweise um 100 bis 1.000 Kilometer – und unter der Annahme, dass sie sich nicht zu Satelliten zusammenballen, würden die Ringe die Form eines Donuts annehmen. Da sich dieser Kreis der Dinge mit dem Zentrum des Saturns als Mittelpunkt dreht, werden die Fragmente außerhalb der Mittelebene des „Donuts“ zwangsläufig regelmäßig durch die Mittelebene hindurchgehen. Da das Material im „Donut“ außerdem annähernd gleichmäßig verteilt ist, kollidieren diese Fragmente, wenn sie sich auf der Mittelebene auf und ab bewegen. Mit der Zeit gleichen sich aufgrund von Kollisionen die Längsgeschwindigkeitskomponenten der Fragmente auf beiden Seiten der Mittelebene gegenseitig aus. Schließlich konzentrieren die meisten Fragmente ihre Umlaufbahnen auf der Mittelebene und bilden einen extrem flachen Planetenring. (Dieser Vorgang hätte von einem Bild begleitet werden sollen, aber SpaceEngine verfügt nicht über die Funktion, natürliche Objekte zu generieren, sodass ich es nicht zeichnen kann. Daher muss ich den Editor bitten, ein Bild bereitzustellen. Denken Sie daran, den Inhalt in den Klammern später zu löschen.)

((இдஇ; ) Ich kann auch nicht dick zeichnen, kann ich ein paar Donuts hineinlegen?)

Natürlich spielen einige der oben genannten Saturnmonde zusätzlich zu den Eigenschaften des Planetenrings selbst, die dafür sorgen, dass er nicht sehr dick ist, bis zu einem gewissen Grad auch die Rolle von „Hirten“, indem sie die Grundform der Saturnringe beibehalten, sodass sie sich weder nach innen noch nach außen ausbreiten. Aufgrund der Kollision von Partikeln innerhalb des Rings hat der Planetenring selbst eine natürliche Tendenz, nach innen und außen zu diffundieren. Satelliten, die sich innerhalb oder außerhalb des Rings befinden, können ihre eigene Schwerkraft nutzen, um Partikel an der Innenseite des Rings nach außen oder Partikel an der Außenseite des Rings nach innen zu drücken und so zur Aufrechterhaltung der Form beizutragen. Beispielsweise sind die Saturnmonde Prometheus und die Saturnmonde Prometheus die „Hirtensatelliten“ des F-Rings.

Prometheus, Pantheon und der F-Ring (die dünne Linie zwischen den beiden Satelliten), generiert von SpaceEngine / SpaceEngine

[Intelligenter Roboter: miau~]

Frage 4:

Yang Ming von außen [Frage] Warum sind die Ringe des Saturns die einzigen unter den acht Planeten, die so groß sind wie die des Saturns?

A:

Unter den vier Planeten mit Ringen sind die Ringe des Saturn tatsächlich die größten. Warum Saturn der einzige Planet im gesamten Sonnensystem mit den größten und hellsten Planetenringen ist, wissen wir noch immer nicht (die Menschheit weiß sehr wenig über Planetenringe).

Im Vergleich zu anderen Planetenringen sind die Ringe des Saturn insofern einzigartig, als ihr Hauptbestandteil Wassereis und nicht Staub und Gesteinsschutt ist. Dadurch weisen sie eine höhere Reflektivität auf und sind aus einer Frontalbeleuchtungsperspektive leichter zu erkennen (die Ringe der anderen drei Planeten wurden durch Raumsonden bestätigt und entdeckt, die Bilder aus Gegenlichtwinkeln aufnahmen). Darüber hinaus könnten die Ringe des Saturn laut Daten aus der letzten Phase der Cassini-Mission nur 10 bis 100 Millionen Jahre alt sein, was für ihre Entstehung keine sehr lange Zeit ist. Möglicherweise haben wir die Ringe des Saturns in ihrem spektakulärsten Moment seit Hunderten von Millionen Jahren gesehen, und selbst die Dinosaurier in der Jurazeit hatten möglicherweise nicht die Gelegenheit, sie zu sehen (wenn sie über die entsprechenden Beobachtungsmöglichkeiten verfügt hätten).

[Intelligenter Roboter: Sternenkörper: Zeit und Schicksal.] 】

Bild von Cassini, der in die Atmosphäre des Saturns stürzt/NASA

F5:

Happy Home [Frage] Warum hat die Erde keinen Ring?

A:

Die Entstehung von Planetenringen erfordert zunächst eine materielle Grundlage. Der interplanetare Raum in der Nähe der Erde ist relativ „sauber“, ohne große Mengen an Staub, Wassereis, Gesteinsschutt und anderen Materialien, die Planetenringe bilden können. Zweitens ist die Erde im Vergleich zu den „Riesen“ da draußen nur ein „winziges Ding“. Es hat eine kleine Masse und einen kleinen Roche-Grenzradius. Würde man einen Planetenring von der Größe des Saturns auf die Erde setzen, wäre die Erde nicht in der Lage, ihn zu halten. Diese Planetenringmaterialien können sich schließlich zu einem oder mehreren Satelliten zusammenballen. Derzeit gibt es die Hypothese, dass der Mond aus einem Materiering um die Erde entstanden ist. Schließlich hat die Erde einen natürlichen Satelliten, den Mond, der dabei hilft, „den Hof aufzuräumen“. Selbst wenn es im Raum zwischen Erde und Mond Planetenringe gäbe, könnte der Mond diese durch die Bahnresonanz allmählich beseitigen, was ihre stabile Existenz unmöglich machen würde.

Allerdings ist nichts absolut, und das gilt auch für die Existenz von Planetenringen. Der Mars, der wie die Erde ein Gesteinsplanet ist, besitzt derzeit keine Planetenringe, was jedoch nicht bedeutet, dass er in Zukunft keine haben wird. Die Roche-Grenzdistanz zum Mars beträgt etwa 4.500 Kilometer. Phobos nähert sich dem Mars derzeit unter dem Einfluss der Gravitation des Mars und wird in einigen zehn Millionen Jahren schließlich zerfallen. Nach dem Zerfall wird es sich in einen Planetenring des Mars verwandeln und weiterhin den Marshimmel erleuchten.

[Intelligenter Roboter: Einen Sternenring kann man nicht einfach haben, weil man ihn will. 】

Imaginäres Bild des Marsrings/Internet

F5:

Xiyue [Frage] Wenn der Mond in Sternringe zerbricht, wie wird die Erde aussehen?

A:

Sehen wir uns zunächst an, unter welchen Bedingungen der Mond in Planetenringe zerbricht.

Wenn wir den Mond auf der Stelle in Stücke zerschmettern wollen, ist es für den Menschen mit seiner derzeitigen Kraft unmöglich, daher ist das wahrscheinlichste Szenario, dass ein außerirdischer Himmelskörper, der im Vergleich zum Mond nicht klein ist, den Mond in Stücke zerschmettert hat. Allerdings sind die so entstandenen Planetenringe nicht stabil genug. Diese Fragmente in der Mondumlaufbahn haben noch einige Zeit nach dem Aufprall die Chance, sich neu zu gruppieren und einen neuen Satelliten zu bilden, da der Mond ursprünglich möglicherweise aus einem Materialring bestand, der die Erde umkreist.

Daher können wir die zweite Methode versuchen, die darin besteht, den Mond in die Roche-Grenze der Erde zu ziehen und die Schwerkraft der Erde zu nutzen, um den Mond in Stücke zu reißen. Allerdings ist auch diese Methode mit den derzeitigen menschlichen Kräften nicht umsetzbar, da der Mond dafür nur auf eine Entfernung von 9.500 Kilometern von der Erde gezogen werden müsste, was im Vergleich zur derzeitigen Entfernung zwischen Erde und Mond von 380.000 Kilometern sehr gering ist (wenn diese Operation fehlschlägt, könnten Erde und Mond kollidieren).

So sieht ein normaler Abstand zwischen Erde und Mond aus. Bild generiert von SpaceEngine. / SpaceEngine

Aber wenn der Mond nur 9.500 Kilometer von der Erde entfernt ist... / SpaceEngine

Von der Erde aus gesehen wäre die Größe des Mondes mit 9.500 Kilometern erschreckend. / SpaceEngine

Aber egal was passierte (Schummeln bei Earth OL), wir haben es trotzdem geschafft, den Mond in die Roche-Grenze der Erde zu ziehen und ihn in einen vollständigen Planetenring zu zerreißen (nennen wir ihn vorerst den „Erdring“). Was wird danach passieren?

Ein Ergebnis, das man mit ein wenig Berechnung erkennen kann, ist, dass sich eine riesige Menge Mondmaterial in Meteoriten verwandeln und auf die Erde treffen wird. Die Masse des Mondes darf nicht unterschätzt werden. Sogar etwas so Riesiges wie die Ringe des Saturn übersteigt nicht ein Tausendstel der Masse des Mondes, von den „Ringen der Erde“ ganz zu schweigen. Daher würde sich der Großteil der Mondmaterie in kleine Himmelskörper verwandeln und auf die Oberfläche treffen, was eine beispiellose Katastrophe wäre.

Dies scheint kein Ergebnis zu sein, das wir akzeptieren können – die Zerstörung der Erde für einen „Erdring“. Daher gehen wir erneut davon aus, dass nach dem Zerfall des Mondes, abgesehen von dem Teil des Materials, aus dem der „Erdring“ besteht, das restliche Material durch irgendeinen Gravitationsvorgang in den interplanetaren Raum geschleudert wird und die Erde nicht direkt trifft und dort Schaden anrichtet. Wie geht es weiter?

Die „Erdringe“ aus dem Weltraum gesehen. / SpaceEngine

Erstens wird das Gezeitenphänomen aufgrund der Gezeitenkraft der Sonne weiterhin bestehen, aber die Amplitude von Flut und Ebbe wird kleiner sein als zuvor und das Phänomen von Flut und Ebbe wird verschwinden. Darüber hinaus werden die Änderungen der Neigung der Erdachse dramatischer sein als je zuvor, da die stabilisierende Wirkung des Mondes wegfällt. Zusammen mit den zunehmenden Änderungen der Neigung der Rotationsachse wird der „Erdring“ durch die Blockierung des Sonnenlichts das globale Klima verändern. Diese werden sich zerstörerisch auf das Ökosystem der Erde auswirken. Darüber hinaus wird sich als zusätzliches Produkt des „Erdrings“ die Wahrscheinlichkeit von Meteoriteneinschlägen und Meteoren erheblich erhöhen. Dies liegt daran, dass die Erde die Masse des „Erdrings“ nach und nach von innen „auffrisst“ (Cassini hat ähnliche Phänomene auf dem Saturn beobachtet). Die vielleicht unmittelbarste Auswirkung des „Erdrings“ auf die menschliche Technologie besteht jedoch darin, dass er ein enormes Hindernis für den Start von Raumfahrzeugen darstellt. Durch die Existenz des „Erdrings“ sind Satelliten, Raumfahrzeuge und Raumstationen in mittleren und niedrigen Umlaufbahnen einem größeren Risiko ausgesetzt als je zuvor, von Weltraummüll getroffen zu werden. Auch die Vernetzung, Navigation und Kommunikation von Satellitenkonstellationen wird mit beispiellosen Schwierigkeiten konfrontiert sein.

Sehen Sie den riesigen „Erdring“ in der Dämmerung am Himmel. / SpaceEngine

Obwohl die Erde durch einen Georing sowohl aus dem Weltraum als auch von der Erde aus cool aussehen würde, wäre unser Leben auf der Erde möglicherweise nicht besser als damals, als wir nur den Mond hatten.

[Intelligenter Roboter: Komm, fang an zu schauspielern. 】

Zumindest bei Mondschein konnte man es ab und zu so in der Hand halten

Novemberausgabe von „China National Astronomy“

Vielen Dank an den Strange Astronomy Knowledge Think Tank für seine großzügige Hilfe / Xu Penghui

Wissenschaftliche Überprüfung/ Gou Lijun

Planung/Huang Jingyi Huaichen Bearbeitung/Huaichen Nuonuo

Chinesisches Nationales Astronomisches

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WeChat-ID: chinesischeastronomie

Das Magazin „China National Astronomy“ wird vom National Astronomical Observatory gesponsert.

Dieses Magazin richtet sich an die breite Öffentlichkeit und bietet astronomische Inhalte und kulturelles Leben in wissenschaftlicher, kultureller, künstlerischer und sammelwürdiger Hinsicht.