Der Zwergplanet Pluto und sein System aus fünf Monden sind ungefähr so mysteriös wie die Unterwelt der Antike, die ihre Namen inspiriert hat. Pluto ist der einzige der ursprünglich neun Planeten, der aus nächster Nähe noch nicht beobachtet wurde. Dies wird sich jedoch ändern, wenn die Sonde New Horizons Mitte Juli einen Vorbeiflug durchführt. Es gibt auch eine unbestätigte Anzahl von Monden, was die Berechnung der Umlaufbahn erschwert.
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"Wenn Sie mein Wissenschaftsteam befragen würden, wäre ich ziemlich sicher, dass die Mehrheit überrascht wäre, wenn sie keine weiteren Monde finden würde", sagt Alan Stern, Hauptermittler für die New Horizons-Mission. „Die Frage ist, werden wir 2 oder 10 oder 20 finden? Ich würde meine Einsätze nicht auf Null setzen. “
Eine neue Studie, die diese Woche in Nature veröffentlicht wurde, hilft uns, die Umlaufbahnen von Plutos bekannten Monden besser zu verstehen, die wiederum Hinweise auf die Mechanik von Exoplaneten geben können, die Doppelsterne umkreisen. Die Arbeit weist jedoch auch auf einige Inkonsistenzen hin, die darauf hindeuten, dass die Bildung dieser Monde immer noch ein Rätsel ist.
Pluto und sein größter Mond, Charon, sind in einem binären Tanz gefangen und umkreisen aufgrund ihres gravitativen Einflusses auf einander einen gemeinsamen Massenschwerpunkt. Die vier anderen bekannten Satelliten in diesem System - Styx, Nix, Kerberos und Hydra - kreisen ebenfalls um dieses gemeinsame Zentrum und nicht um Pluto. Dies bedeutet, dass sie seltsame Wackelbewegungen in ihren nahezu kreisförmigen Bahnen haben und sich anders verhalten als andere Monde im Sonnensystem.
Diese komplexe Bahnbeziehung, verbunden mit der Schwierigkeit, das entfernte System zu beobachten, hat es schwierig gemacht, herauszufinden, wie sich Pluto und seine Familie gebildet haben. Die führende Theorie besagt, dass Charon wie der gigantische Aufprall, der den Mond der Erde geformt hat, geboren wurde, als ein großes Objekt während der gewaltsamen Bildung des Sonnensystems in Pluto einschlug und die anderen kleinen Monde aus den Überresten der Überreste stammten.
Bilder von New Horizons aus dem April zeigen, wie Pluto und Charon einen gemeinsamen Massenschwerpunkt umkreisen. (Animiertes GIF der NASA / Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University / Southwest Research Institute) "Wir sind immer noch verblüfft darüber, wie sich das System gebildet hat", sagt Mark Showalter, Co-Autor der Studie, ein leitender Wissenschaftler am SETI-Institut (Search for Extraterrestrial Intelligence). „Ich glaube, jeder glaubt, dass irgendwann in der fernen Vergangenheit ein großes Objekt in den Proto-Pluto und die Monde, die sich aus der Trümmerwolke gebildet haben, eingeschlagen ist. Nach diesem Punkt in der Geschichte werden die Details jedoch sehr lückenhaft. “
Die Analyse der vom Hubble-Weltraumteleskop nach den Entdeckungen von Kerberos und Styx gesammelten Daten legt nahe, dass Styx in einer Orbitalresonanz mit Nix und Hydra eingeschlossen ist, was die Aufpralltheorie unterstützt. Orbitalresonanz bedeutet, dass sich mehrere Körper regelmäßig und regelmäßig gegenseitig gravitativ beeinflussen, so dass sie ihre Umlaufbahnen in einem vorhersagbaren Muster abschließen. Das bekannteste Beispiel ist die Laplace-Resonanz der drei Monde Jupiter, Io, Europa und Ganymede, die eine Orbitalresonanz von 1: 2: 4 aufweisen. Dies bedeutet, dass Io den Jupiter viermal für jede Umdrehung von Ganymed umkreist, während Europa zweimal in derselben Zeit umkreist.
Mathematische Modelle von Showalter zeigen, dass die Resonanzen aller fünf Pluto-Monde nach dem Charon-bildenden Aufprall in eine 1: 3: 4: 5: 6-Beziehung hätten gebracht werden können, was dem aktuellen Verhältnis der Umlaufzeiten für Pluto-Monde sehr nahe kommt. Diese Theorie erklärt auch die verbleibende Resonanz von Styx, Nix und Hydra. Aber es gibt einen komplizierenden Faktor: Die anderen Körper im Pluto-System bringen Chaos in die sonst stabile Konfiguration dieser Monde.
Styx, Nix und Hydra scheinen die meiste Zeit in Resonanz zu sein, aber Nix und Hydra werden regelmäßig ins Chaos gestürzt, und es war schwierig, die Ursache zu bestimmen. Chaotische Umlaufbahnen treten auf, wenn die Drehachse eines nicht-sphärischen Objekts erheblich wackelt und es so daran gehindert wird, in eine synchrone Umlaufbahn zu fallen. Saturns „Schwamm“ Mond Hyperion dreht sich zum Beispiel chaotisch und Astronomen glauben, dass seine wackelige Bewegung durch die 3: 4-Orbitalresonanz von Hyperion mit dem größeren Mond Titan verursacht wird. Die neuen photometrischen und dynamischen Modelle von Showalter deuten jedoch darauf hin, dass ein binäres System wie Pluto und Charon auch nicht-sphärische Monde chaotisch drehen kann. Selbst bei den chaotischen Umlaufbahnen von Nix und Hydra scheint das Aufprallszenario noch plausibel.
Ein Hubble-Bild aus dem Jahr 2012 fängt Pluto mit seinen fünf bekannten Monden ein. (NASA, ESA und M. Showalter (SETI Institute)) Kerberos wirft jedoch einen großen Schraubenschlüssel in die Auswirkungstheorie. Basierend auf den Beobachtungsdaten von Hubble scheinen Nix und Hydra helle Objekte zu sein, ähnlich wie Charon. Aber Kerberos scheint viel dunkler. Mit einer Masse, die ungefähr ein Drittel der von Nix und Hydra beträgt, reflektiert Kerberos nur etwa 5 Prozent so viel Sonnenlicht. Wenn Plutos kleinere Monde aus dem aggregierten Material einer einzelnen großen Kollision gebildet würden, hätten sie eine direkte Beziehung zwischen Größe und Helligkeit. Ein heterogenes Satellitensystem wie das von Pluto scheint ein Rätsel zu bleiben.
"Diese Forschung ist ein bisschen wie Archäologie", sagt Showalter. "Wir haben gerade ein paar Stücke antiker Töpferwaren ausgegraben, wissen aber noch nicht, wie sie zusammenpassen."
Der New Horizons-Flug des Pluto-Systems am 14. Juli wird dazu beitragen, viele der Fragen zu beantworten, die im Nature- Papier aufgeworfen wurden. Die Instrumente auf New Horizons können feststellen, ob Kerberos wirklich dunkler als die anderen Monde ist, und sie messen die Formen aller Pluto-Monde genau. Am aufregendsten ist es vielleicht, wenn der Vorbeiflug zeigt, ob andere Monde oder Ringe existieren, die die komplexe Orbitalmechanik des Pluto-Systems beeinflussen.
„Jedes Planetensystem hat eine Formationsgeschichte zu erzählen“, erklärt Showalter. „Das Verstehen ihrer Geschichte hilft uns, andere Arten von astrophysikalischen Scheiben zu verstehen, einschließlich Galaxien und exoplanetarischer Systeme. Es gibt viele bekannte "Zirkumbinärplaneten", die zwei statt nur einen Stern umkreisen - denken Sie an Luke Skywalker bei Sonnenuntergang auf Tatooine. Ich denke, das Pluto-System zeigt uns neue Details darüber, wie diese viel größeren dynamischen Systeme funktionieren. “
