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FORSCHUNG/461: Die vielen Monde der Erde (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 6/12 - Juni 2012
Zeitschrift für Astronomie

Die vielen Monde der Erde

Von Jan Hattenbach



Nicht nur der Mond umkreist die Erde als natürlicher Satellit, zu jedem Zeitpunkt soll auch mindestens ein kleiner Asteroid in einer Erdumlaufbahn sein - das zeigen Computersimulationen. Asteroidenmaterie wäre damit leichter zur Erde zu holen, als bislang gedacht.


Gemessen an ihrem Durchmesser besitzt die Erde einen recht großen Mond, denn er unterscheidet sich von ihr gerade mal um den Faktor 3,7. Zum Vergleich: Jupiter übertrifft seine großen Trabanten um das 27- bis 40-Fache, der kleinere Mars die seinen sogar um den Faktor 300. Die Marsmonde, aber auch die meisten der kleinen Monde der Gasplaneten sind nur asteroiden groß. Einige davon wurden vom Schwerefeld ihrer Planeten eingefangen.

Solche Mondeinfänge gab es nicht nur in grauer Vorzeit des Sonnensystems: Der Komet 147P/Kushida-Muramatsu umkreiste den Gasriesen Jupiter zwischen 1949 und 1961 zwölf Jahre lang, dann wurde er aus dem Gravitationstrichter des Planeten wieder herausbefördert. »Temporary Captured Orbiter« (TCO) - temporär eingefangene Orbiter nennen Astronomen diese Monde auf Zeit, insgesamt fünf davon haben sie mittlerweile bei Jupiter entdeckt. So auch den Kometen 111P/Helin-Roman-Crockett, der zwischen 1967 und 1985 den Gasplaneten umrundete - und es zwischen 2068 und 2086 wieder tun wird. Das Spiel von Einfangen und Aussetzen findet für die betroffenen Himmelskörper - Kometen und Asteroiden - irgendwann ein Ende: Entweder wird das Objekt zu einem Zeitpunkt endgültig aus dem Einflussbereich des Planeten katapultiert, oder es kollidiert mit ihm, wie der bekannte Komet Shoemaker-Levy 9 (SL9, offiziell: D/1993 F2) mit Jupiter. Dessen rund zwanzig Fragmente, in die er bei der letzten Annäherung am Jupiter zerrissen wurde, stürzten im Juli 1994 innerhalb von sechs Tagen spektakulär in den Gasriesen (siehe SuW 10/1994, S. 680).


Ein zweiter Erdmond - flüchtig und kaum auffindbar

Seine große Masse macht Jupiter zu einem idealen Kometen- und Asteroidenfänger, das ist lange bekannt. Vor drei Jahren errechneten Astronomen, dass sich Einschläge wie der von Shoemaker-Levy 9 auf Jupiter im Abstand von wenigen Jahren ereignen könnten. Nicht zuletzt schützt der Planet auf diese Weise die für uns so wichtige Erde vor allzu häufigen Begegnungen mit großen Felsbrocken aus verschiedenen Regionen des Sonnensystems. Doch auch der blaue Planet verschafft sich regelmäßig die Gesellschaft neuer Monde, wenn auch auf erheblich geringerem Niveau. Das fanden Mikael Granvik und Robert Jedicke von der University of Hawaii sowie Jeremie Vaubaillon vom Pariser Observatorium heraus. Die Astronomen untersuchen die Wahrscheinlichkeit für den Einfang eines kleinen Asteroiden durch die Erde. Dazu simulierten sie die Bahnen mehrerer tausend erdnaher Kleinkörper am Computer. Ihr bemerkenswerter Schluss: Statistisch gesehen sollte sich zu jedem Zeitpunkt ein Brocken der Meterklasse als zweiter Erdmond im Orbit befinden, zusammen mit rund tausend zentimetergroßen Mikromonden.

Die Analogie zu großen Monden trägt jedoch nicht weit. Denn die simulierten »Natural Earth Satellites« (NES, natürliche Erdsatelliten) verweilten wie die temporären Jupitermonde nicht lange bei unserem Planeten, dafür sorgt der Einfluss des großen Erdmonds. Nur wenige Monate, im Schnitt 330 Tage, blieben die Miniasteroiden im Erdorbit, danach verließen die allermeisten den Einflussbereich der Erde wieder. Aufgrund ihres großen Abstands von mehreren Monddistanzen schafften sie in dieser Zeit im Mittel knapp drei Umläufe, wobei ihre Umlaufbahnen keine Ähnlichkeit mit denjenigen der großen Monde haben (siehe Grafik unten). Doch das Reservoir an »Near Earth Objects«, erdnahen Objekten, kurz NEOs, die zum Erdmond auf Zeit werden können, sei derart groß, dass die Erde praktisch ständig einen von ihnen an sich binden könne, erklären Granvik, Jedicke und Vaubaillon. Wie Motten in der Nacht eine Kugelleuchte, so umschwirren die Miniasteroiden die Erdkugel: Kaum hat sich einer ihrer Anziehungskraft wieder entzogen, wird auch schon der nächste eingefangen. Pro Jahr stürzen rund 10.000 Objekte größer als zehn Zentimeter auf die Erde. Andererseits folgte aus den Simulationen, dass dies etwa zehn TCOs pro Jahr tun - nur ein Prozent aller temporären Orbiter dringen daher in die Erdatmosphäre ein und nur jeder tausendste Meteor am Erdhimmel stammt somit von einem zuvor eingefangenen Asteroiden.

Computersimulationen legen nahe, dass die Erde zu jeder Zeit einen zweiten metergroßen Mond besitzt.

Ein weiteres interessantes Detail: Ende Januar und Ende Juli, also ein bis zwei Wochen nach dem Erdperihel beziehungsweise dem Erdaphel, finden bis zu 20 Prozent mehr Einfänge statt als im Zeitraum dazwischen. Offenbar gleichen sich die Aphelia und Perihelia der Asteroiden denen der Erde im Laufe der Zeit an. Betrag und Richtung der Geschwindigkeit der NEOs ähneln dann denen der Erdgeschwindigkeit, daher steigt die Einfangwahrscheinlichkeit zu diesen Zeiten an.

So weit die Statistik, doch wie sieht die Realität aus? Lassen sich NES, die natürlichen Erdsatelliten, auch direkt beobachten? Einfach ist dies sicher nicht: Mit oftmals nicht einmal einem Meter Durchmesser sind solche Objekte sehr klein und daher lichtschwach. Sie lassen sich deshalb nur in unmittelbarer Erdnähe aufspüren - mehr als einige Monddistanzen entfernt sind sie auch mit großen Teleskopen kaum noch sichtbar. So sehen Astronomen sie wohl erst, wenn sie bereits eingefangen worden sind.

Voraussagen, ob und wann ein bestimmter Miniaturasteroid vorübergehend zum Erdmond wird, scheitern auch daran, dass die genauen Bahnkurven dieser kleinen und massearmen Objekte starken Störungen unterliegen. Die Kräfte von Erde, Mond und Sonne, aber auch von anderen Planeten zerren an ihnen, und selbst die Sonnenstrahlung kann ihre Bahn beeinflussen. Eine Bahnberechnung in allzu ferne Zukunft ist damit schwierig, oft sogar unmöglich.


Der »Mini-Shoemaker-Levy« vom 9. Februar 1913

Lange Zeit gab es deshalb nur indirekte Hinweise auf die Existenz von NES. Als erster brachte der kanadische Astronom Clarence Chant diese Idee auf, als er eine ungewöhnliche Meteorerscheinung zu erklären versuchte: Am Abend des 9. Februar 1913 hatten viele Menschen in Kanada, den Vereinigten Staaten und der Karibik über einen Zeitraum von wenigen Minuten eine regelrechte Parade heller Meteore quer über den Himmel verfolgt. Teilweise waren die Leuchterscheinungen von Donnergrollen begleitet, wie es für sehr helle Boliden typisch ist. Das Besondere aber: die Flugrichtung der Meteore von Nordwest nach Südost wies auf keinen Radianten zurück, wie es für einen gewöhnlichen Meteorschauer üblich ist. Andererseits dauerte die Erscheinung zu lange, als das sie auf einen einzelnen in der Atmosphäre zerbrechenden Meteoroiden zurückzuführen sein konnte. Es musste sich also um eine Gruppe von Objekten handeln, die sehr flach in die Erdatmosphäre eingedrungen war. Chant und andere Astronomen erklärten die seltsame Flugbahn der Meteore mit einem auseinander gebrochenen, natürlichen Erdsatelliten, gewissermaßen ein Shoemaker-Levy 9 im Kleinformat.

Weitere Hinweise auf natürliche Erdsatelliten, etwa aufgrund von Meteoritenfällen, blieben sehr vage. Der amerikanische Meteoritenforscher Bill Cassidy vermutete 1965 eine Verbindung zwischen den im argentinischen Campo-del-Cielo-Streufeld gefundenen Hexaedrit-Meteoriten und einigen in Nordchile gefundenen Meteoriten ähnlichen Typs. Hatte es hier vor rund 4000 Jahren einen Doppelimpakt gegeben, bei dem ebenfalls ein Asteroidenmond auseinanderbrach und seine Bruchstücke im Laufe zweier Erdumdrehungen einmal in der argentinischen Pampa und einmal in den Anden Chiles verteilt hatte? So spannend die Theorie klingt, lange aufrechterhalten ließ sie sich nicht. Die Hexaedriten aus Chile und Argentinien unterscheiden sich signifikant in ihrem Nickelanteil und müssen daher von unterschiedlichen Ausgangskörpern stammen.


2006 RH120 - der erste von vielen natürlichen Erdsatelliten?

Es dauerte bis ins vergangene Jahrzehnt, als schließlich die Entdeckung des ersten und bislang einzigen temporären natürlichen Erdsatelliten gelang: Der zwei bis fünf Meter große Brocken 2006 RH120 war am 14. September 2006 vom Catalina Sky Survey in den USA entdeckt worden. Normalerweise befindet sich der Asteroid auf einem der Erdbahn sehr ähnlichen Orbit um die Sonne, aber alle 20 Jahre kommt er dem Erde-Mond-System recht nahe. Dabei kann er zum temporären Erdmond werden - und von September 2006 bis zum Juni 2007 war das auch der Fall (siehe Bild links oben).

Schon im Jahr 2002 hatte man übrigens ein ganz anderes Objekt gefunden, das erst wie ein kleiner eingefangener Asteroid aussah, sich aber schnell als sehr irdisch herausstellte. J002E3, so seine Bezeichnung, reflektierte das Sonnenlicht so gut, wie man es für eine mit Titanoxid bedeckte Raketenhülle erwartet hätte, aber nicht für einen Asteroiden. Tatsächlich handelte es sich wohl um die dritte Stufe der Saturn-V-Rakete, die 1969 die Astronauten von Apollo 12 zum Mond schickte (siehe Bild links). Offenbar war sie nach der Trennung von der Mondfähre auf eine heliozentrische Bahn geraten, wurde 2002 von der Erde eingefangen, und 2003 erneut in eine Sonnenumlaufbahn entlassen. Möglich, dass J002E3 irgendwann in den 2030er Jahren erneut bei uns einige Runden dreht.

Bei der Suche nach natürlichen Erdsatelliten haben die Astronomen also zu allem Überfluss mit hausgemachten Problemen zu kämpfen. Manchmal wird die Sache ausgesprochen mysteriös, wie das Beispiel des Objekts 1991 VG zeigt. Entdeckt wurde es im Dezember 1991 vom Spacewatch-Projekt auf dem amerikanischen Kitt-Peak-Observatorium, seine Größe dürfte um die zehn Meter betragen. Es handelt sich zwar nicht um einen temporären Erdsatelliten, doch kreist das Objekt auf einem sehr ähnlichen Orbit um die Sonne. Verwirrung stiftete 1991 VG in den 1990er Jahren, weil es einen ungewöhnlich schnellen Lichtwechsel zeigt - völlig ungewöhnlich für einen Asteroiden. Untersuchungen zeigten aber, dass in diesem Fall keine bekannte Raketenstufe als Verursacher in Frage kommt. Der australische Astronom Duncan Steel wagte daher 1995 eine provokante Aussage. Wenn 1991 VG kein irdisches, aber auch kein natürliches Objekt sei - für beide Fälle sei die A-priori-Wahrscheinlichkeit sehr gering - dann müsse es von einer anderen Zivilisation stammen. Diese sehr gewagte Hypothese wird sich spätestens im Jahr 2017 überprüfen lassen, denn dann kommt 1991 VG das nächste Mal in Erdnähe.

Weniger Sciencefiction, aber ebenfalls ambitioniert ist die Zukunftsvision, die Granvik, Vaubaillon und Jedicke aus ihren Resultaten ableiten. Wird die Erde tatsächlich beständig von kleinen Asteroiden umschwärmt, dann müsste man Raumfahrtmissionen zur Gewinnung von Asteroidenmaterial nicht tief ins Sonnensystem entsenden - man könnte direkt vor der Haustüre schürfen. Ein wenige Meter großer Brocken ließe sich gleich am Stück von einem Roboter oder sogar von Astronauten einsammeln. Vorausgesetzt, es finden sich ein geeigneter Kandidat und eine Raumfahrtnation, die diese Herausforderung annehmen.


Jan Hattenbach
ist Physiker. In seinem Blog »Himmelslichter«, zu finden unter www.scilogs.de/kosmologs, schreibt er über alles, was am Himmel passiert.


Literaturhinweis

Granvik, M., Vaubaillon, J., Jedicke, R.: The population of natural Earth satellites, Icarus 218, 262-277, 2012. arXiv: 1112.3781v1

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w i s - wissenschaft in die schulen

Was ist WiS?
Das Projekt Wissenschaft in die Schulen! wendet sich an Lehrerinnen und Lehrer, die ihren naturwissenschaftlichen Unterricht mit aktuellen und praktischen Bezügen anschaulich und abwechslungsreich gestalten wollen - und an Schülerinnen und Schüler, die sich für Vorgänge in der Natur begeistern und ein tieferes Verständnis des Universums gewinnen möchten.

Um diese Brücke von der Wissenschaft in die Schulen zu schlagen, stellt WIS didaktische Materialien als PDF-Dokumente zur Verfügung (kostenloser Download von der Internetseite www.wissenschaft-schulen.de).

WiS in Sterne und Weltraum
Es stehen zwei unterschiedliche WiS-Materialien zur Verfügung, welche die Themen vertiefen:

»Auswertung von Feuerkugel-Aufnahmen« bezieht sich auf den Beitrag »Die vielen Monde der Erde« auf S. 20. Das Material behandelt eine Rechenmethode, die es ermöglicht, durch Vermessen zweier Feuerkugelaufnahmen den Aufschlagpunkt des Meteoroiden zu ermitteln, der die Leuchterscheinung hervorgerufen hat. (ID-Nummer: 1051389)

»Besuch aus dem Weltall« nimmt Bezug auf denselben Beitrag. Das Material stellt eine Reihe von Aufgaben vor, in denen gezeigt wird, was geschieht, wenn ein himmlischer Kleinkörper in die Erdatmosphäre eintritt. (ID-Nummer: 1051360)


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 20:
Die Erde besitzt einen für ihre Größe recht großen Mond, nur Pluto und Charon gleichen sich im Sonnensystem noch mehr. In dieser Kollage stimmen die Größenverhältnisse der beiden Körper zueinander. Die beiden Aufnahmen stammen von der US-Raumsonde Galileo, als diese auf dem Weg zum Jupiter im Dezember 1992 ein Swing-by-Manöver an der Erde durchführte. Neuen Erkenntnissen zufolge gesellen sich unzählige, temporäre Miniaturmonde zum Erde-Mond-System.

Abb. S. 21:
Die simulierte Bahnkurve eines typischen, temporär eingefangenen Monds. Das Objekt bewegte sich innerhalb von 280 Simulationstagen genau 2,94 Mal um die Erde. Dies ist unten rechts am besten zu sehen. Die linke Spalte zeigt die Bewegung in geozentrischen, festen Koordinaten, die rechte Spalte in geozentrischen, mitbewegten Koordinaten. Die Koordinaten x und y liegen in der Ebene der Ekliptik, z weist zu deren Pol. Die Distanzen sind in Mondabständen von 380.000 Kilometer angegeben. Die Bewegung erfolgt nicht, wie beim Erdmond, entlang einer konstanten Bahn, sondern wirkt chaotisch.

Abb. S. 22 oben:
Das nur zwei bis fünf Meter große Objekt 2006 RH120 ist zwischen den Strichspuren der Sterne kaum auszumachen. Das Teleskop folgte dem Objekt, daher spiegeln die Strichspuren seine Bewegung relativ zu den Sternen wider. Dem britischen Amateurastronomen Peter Birtwhistle gelang diese Aufnahme mit einem 40-Zentimeter-Teleskop am 20. März 2007, als der Körper eine Helligkeit von 19,3 mag besaß und nur wenig weiter entfernt war als der Mond.

Abb. S. 22 Mitte:
Das Bild zeigt die Saturn-V-Rakete der zweiten bemannten Mondlandemission Apollo 12 auf dem Weg zur Startrampe. An die ersten beiden Stufen schließt sich direkt oberhalb der Verjüngung die dritte an, auf der das Mondlandemodul und die Rückkehrkapsel thronen. Diese dritte Stufe geriet nach Brennschluss in eine Sonnenumlaufbahn und wurde im Jahr 2002 als Objekt J002E3 wiederentdeckt.

© 2012 Jan Hattenbach, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg

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Quelle:
Sterne und Weltraum 6/12 - Juni 2012, Seite 20 - 23
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie),
Dr. Jakob Staude
Redaktion Sterne und Weltraum:
Max-Planck-Institut für Astronomie
Königstuhl 17, 69117 Heidelberg
Telefon: 06221/528 150, Fax: 06221/528 377
Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
Slevogtstraße 3-5, 69117 Heidelberg
Tel.: 06221/9126 600, Fax: 06221/9126 751
Internet: www.astronomie-heute.de
 
Sterne und Weltraum erscheint monatlich (12 Hefte pro Jahr).
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veröffentlicht im Schattenblick zum 8. August 2012