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„Super-Highways“ durchs Sonnensystem

Schwerkraft-Resonanzen erzeugen bogenförmige Schnell-Routen für Asteroiden und Raumsonden

Sonnensystem
Die Schwerkrafteinflüsse der großen Planeten erzeugen im Sonnensystem ein komplexes System unsichtbarer, bogenförmiger Schnellrouten. © rwarnbick/ iStock

Unsichtbare Schnellrouten: Im Sonnensystem existieren verborgene Bahnen, die die Flugzeiten von Asteroiden und auch Raumsonden extrem verkürzen können. Diese bogenförmigen „Super-Highways“ entstehen durch Schwerkraft-Resonanzen der großen Planeten und bilden eine Art Hochgeschwindigkeits-Netz, wie physikalische Simulationen enthüllen. Über sie gelangen Asteroiden und Kometen schneller ins innere Sonnensystem, sie könnten aber auch für Raummissionen genutzt werden.

Die Bewegungen von Himmelskörpern in unserem Sonnensystem werden durch ein komplexes System von Schwerkraft-Wechselwirkungen bestimmt. Sie halten die Planeten und Monde auf ihren stabilen Bahnen, schaffen stabile Positionen wie die Lagrange-Punkte und prägen die Flugbahnen von Asteroiden und Kometen.

Die Schwerkraftsenken der Planeten lassen sich aber auch zum gezielten Schwungholen oder Abbremsen von Raumsonden nutzen. Diese Gravitationseffekte kamen schon den beiden Voyager-Sonden vor gut 40 Jahren zugute, aber auch die Pluto-Sonde New Horizons oder die Merkursonde BepiColombo absolvierten solche gezielten Swing-By-Manöver.

Sonnensystem im Computer

Doch wie sich nun zeigt, steckt mehr dahinter als nur vereinzelt günstige Konstellationen: Jenseits des Asteroidengürtels existiert ein ganzes System von Routen, auf denen Objekte besonders schnell durch das Sonnensystem katapultiert werden. Natascha Todorovic vom Astronomischen Observatorium Belgrad und ihre Kollegen haben diese „Super-Highways“ entdeckt, als sie die Bahnen einer bestimmten Sorte von Asteroiden und Kometen nachvollziehen wollten.

„Diese Centauren besetzen Umlaufbahnen im Gebiet zwischen Jupiter und Neptun, sind aber dynamisch instabil“, erklären die Forscher. „Im Schnitt bleiben sie nur wenige Millionen Jahren erhalten.“ Um herauszufinden, was die Bahnen dieser Objekte bestimmt, nutzten sie ein mathematisch-physikalisches Modell. In diesem setzten sie Millionen Testpartikel den physikalischen Kräften aus, die von den Schwerkraft-Wechselwirkungen im äußeren Sonnensystem erzeugt werden.

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Mithilfe des sogenannten Fast Lyapunov Indicator (FLI) analysierten die Wissenschaftler zudem den Grad des Chaos, das hinter den Bewegungen der Objekte steckt.

Bögen
Diese FLI-Kartierung zeigt die bogenförmige Abfolge der Verteilerbahnen. Oben unter dem Einfluss der Planeten von Venus bis Neptun, unten, wenn nur der Jupiter berücksichtigt wird. © Todorovic et al./ Science Advances, CC-by-sa 4.0

Abfolge unsichtbarer Bögen

Es zeigte sich Überraschendes: Statt chaotischen Bahnen folgen die Objekte jenseits des Jupiter einem komplexen System von bogenförmigen Routen. Diese „Space Manifolds“ – Weltraum-Verteilerbahnen – manifestieren sich als Abfolge miteinander verbundener, regelmäßiger Bögen, wie Todorovic und ihr Team berichten. Auf diesen Bahnen sorgen Schwerkraft-Resonanzen dafür, dass Objekte besonders schnell und gerichtet durch das All fliegen.

„Dass Swing-By-Manöver durch solche schwerkraftbedingten Verteilerbahnen möglich sind, ist schon länger bekannt“, sagen die Wissenschaftler. „Aber ihr weitreichender Einfluss auf natürliche Himmelskörper ist größtenteils unterschätzt und unerforscht geblieben.“ Denn diese unsichtbaren Routen im Sonnensystem spielen vermutlich eine prägende Rolle für den Transport von Objekten zwischen dem Kuipergürtel am Außenrand des Sonnensystems und dem Asteroidengürtel und der Zone der terrestrischen Planeten im inneren Bereich.

Jupiters Orbit prägt die Bahnen

Prägende Kraft für diese unsichtbaren Autobahnen sind vor allem die beiden großen Gasriesen Jupiter und Saturn. Ihre Schwerkraft und Umlaufzeit bestimmen die zeitliche und räumliche Abfolge der nach außen immer kleiner werdenden Bögen. So wurde in der Simulation der erste, größte Bogen des „Jupiter-Highways“ nach 24 Jahren sichtbar – dem doppelten von Jupiters Umlaufzeit. Der nächstfolgende Bogen trat nach 36 Jahren auf, der darauffolgende nach 48 Jahren und so weiter. Eine weitere Sequenz von Bögen bildete sich in Verbindung mit dem Saturn und seiner Umlaufzeit.

„Wir haben numerisch bestätigt, dass die Verteilung dieser Manifold-Strukturen für alle Riesenplaneten ähnlich ist“, berichten die Forscher. „Nur ihre Zeitskalen sind auf die jeweiligen Orbitalperioden abgestimmt und daher unterschiedlich.“ Zusammen bilden diese unsichtbaren Verteilerbahnen ein komplexes System sich überlagernder Bögen und Routen, deren Gesamtheit auf den ersten Blick chaotisch erscheint.

Nützlich für Asteroidenforschung und Raumfahrt

Interessant sind diese physikalisch bedingten „Schnellstraßen“ im Sonnensystem aus gleich mehreren Gründen. Zum einen kann das Wissen um diese Strukturen dazu beitragen, die Bahnen von Asteroiden und Kometen besser zu verstehen – auch der Objekte, die der Erde potenziell gefährlich werden könnten. Todorovic und ihr Team konnten beispielsweise in der Simulation nachvollziehen, wie solche Objekte durch den Einfluss einer solchen Verteilerbahn aus ihrer elliptischen, heliozentrischen Umlaufbahn in eine ungebundene hyperbolische Flugbahn katapultiert wurden.

Zum anderen eröffnen diese „Super- Highways“ jedoch auch Möglichkeiten, Raumsonden schneller als bisher durch das Sonnensystem zu schicken. Denn in der Simulation benötigen einige Testobjekte weniger als ein Jahrzehnt, um von Jupiter zum Neptun zu gelangen. Die Strecke von 100 astronomischen Einheiten schafften sie dank dieser verbundenen Bögen in weniger als hundert Jahren. (Science Advances, 2020; doi: 10.1126/sciadv.abd1313)

Bogenförmige Routen zwischen dem Asteroidengürtel (3 U) und dem Uranus .© UC San Diego

Quelle: University of California – San Diego

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