Vor ein paar Tagen habe ich über die chaotische Rotation der Pluto-Monde Nix und Hydra berichtet. Diese beiden kleinen Himmelskörper drehen sich nicht gleichmäßig um ihre Achse, sondern mal schneller und mal langsamer und sie taumeln auch noch unvorhersagbar um ihre Achse. Das ist ungewöhnlich, denn normalerweise verhalten sich Monde ganz anders. Es lohnt sich also, in der Serie “Fragen zur Astronomie” einmal genauer darüber nachzudenken. Also: Wie rotieren die Monde in unserem Sonnensystem?

Jede Menge Monde - und alle drehen sich um ihre Achse (Bild: NASA)

Jede Menge Monde – und alle drehen sich um ihre Achse (Bild: NASA)

Zuallererst muss man eine Tatsache klar stellen, die oft falsch verstanden wird: Der Mond der Erde dreht sich um seine Achse! Das tut er tatsächlich, obwohl erstaunlich viele Menschen der Ansicht sieht, es wäre nicht so: Denn immerhin sehen wir von der Erde aus ja immer nur eine Seite! Aber wenn man ein wenig genauer darüber nachdenkt, dann sieht man leicht, dass das nur dann der Fall sein kann, wenn sich der Mond dreht. Und zwar auf ganz besondere Art und Weise: Er muss sich genau so schnell um seine eigene Achse drehen, wie er für eine Umrundung der Erde braucht. Nur dann ist es möglich, dass er uns immer die gleiche Seite zuweist.

Dieses Verhalten wird “gebundene Rotation” genannt und durch die Gezeitenkräfte verursacht. Ich habe das hier sehr ausführlich erklärt. Kurz gesagt geht es darum, dass natürlich nicht nur der Mond eine Gezeitenkraft auf die Erde ausübt (und dabei Ebbe und Flut in den Ozeanen auslöst), sondern auch die Erde Gezeiten auf dem Mond auslöst. Dort gibt es zwar keine Ozeane, aber ohne Folgen ist das trotzdem nicht geblieben. Denn die Gezeitenkräfte beeinflussen auch die Rotation eines Himmelskörpers. Der genaue Mechanismus ist ein wenig kompliziert, aber vereinfacht gesagt funktioniert es so: Die Gezeitenkraft führt zu einer leichten Verformung des Himmelskörpers und diese Abweichung der perfekten Symmetrie führt dazu, dass die Gravitationskraft die Rotation des Himmelskörpers bremst. Der Mond hat im Laufe der Jahrmilliarden so die Drehung der Erde um ihre Achse gebremst und tut das weiterhin. Jedes Jahr dreht sich die Erde knapp 17 Mikrosekunden langsamer im Jahr zuvor!

Die größere Erde hat mit ihrer größeren Gezeitenkraft den kleineren Mond im Laufe der Zeit viel stärker abgebremst. So stark, dass seine Eigenrotation nun genau so lange dauert wie ein Umlauf um die Erde herum. Dieser Prozess findet aber nicht nur bei uns statt, sondern auch überall sonst im Sonnensystem. Gezeitenkräfte wirken auch zwischen den anderen Planeten und ihren Monden und auch dort hat sich fast überall eine gebundenen Rotation eingestellt. Die beiden Monde des Mars haben ihre Rotation auf ihre Umlaufzeit abgestimmt; genau so wie die meisten Monde der Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Man geht davon aus, dass alle Monde ein entsprechendes Verhalten zeigen. Zumindest alle sogenannten “regulären Monde”. Damit sind Monde gemeint, die sich vergleichsweise nahe an ihrem Planeten befinden und deren Bahn einigermaßen kreisförmig und nicht maßgeblich gegenüber der Äquatorebene des Planeten geneigt ist. Außerdem sind es Monde, die den Planeten in der gleichen Richtung umlaufen, in der er sich selbst um seine Achse dreht. Das alles sind Anzeichen dafür, dass diese Monde gemeinsam mit dem Planeten entstanden sind – im Gegensatz zu den irregulären Monden, bei denen es sich um kleine, später eingefangene Asteroiden handelt und die die großen Gasplaneten meistens in sehr großer Entfernung umkreisen.

Hyperion schaut nicht nur seltsam aus, sondern bewegt sich auch seltsam (Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)

Hyperion schaut nicht nur seltsam aus, sondern bewegt sich auch seltsam (Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)

Ob sich wirklich alle Monde in einer gebundenen Rotation befinden, weiß man allerdings nicht genau, da nicht bei allen ausreichende Beobachtungsdaten vorliegen (immerhin kennt man derzeit insgesamt 181 Monde!). Aber zumindest kennt man einige definitive Ausnahmen. Die beiden eingangs erwähnten Monde des Pluto gehören dazu. Genau so wie der Saturnmond Hyperion, der ebenfalls eine chaotische Rotation zeigt. Sowohl bei Hyperion als auch bei den Pluto-Monden sind die gravitativen Störungen anderer Himmelskörper für dieses Verhalten verantwortlich. Bei Nix und Hydra liegt es am (vergleichsweise) großen Pluto-Mond Charon, bei Hyperion ist es er Einfluss von Titan, der keine stabile Rotation zulässt. Der nur 266 Kilometer große Hyperion ist ein direkter Nachbar des Titan, der mit 5150 Kilometer Durchmesser immerhin der zweitgrößte Mond des gesamten Sonnensystems ist.

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Kommentare (13)

  1. #1 Higgs-Teilchen
    Im Standardmodell oben rechts
    8. Juni 2015

    Wollen wir wetten wann hier der Erste auftaucht und behauptet, der Mond würde sich nicht drehen? 🙂
    Ansonsten ein schöner, leicht verständlicher Artikel. Danke!

  2. #2 Higgs-Teilchen
    Im Standardmodell oben rechts
    8. Juni 2015

    @florian

    “Dazu müsste unser Planet der Sonne viel näher sein”

    Könnte das mit Merkur passieren?

  3. #3 Jens
    8. Juni 2015

    Merkurs Rotation um seine Achse und seine Umlaufbahn um die Sonne stehen im Verhältnis 3:2. In der Zeit in der er sich 3 mal um sich selbst gedreht hat, umrundet er 2 mal die Sonne. Angeblich soll diese Spin-Orbit-Resonanz stabil sein so das es zu keiner weiteren Abbremsung seiner Rotation kommt. Warum dies bei ihm so ist und bei den Monden der Planeten nicht würde mich auch mal interessieren.

  4. #4 Franz
    8. Juni 2015

    Was ist mit der Venus ? Da ist der Tag ja auch länger als das Jahr ?

  5. #5 Florian Freistetter
    8. Juni 2015

    @Jens: “Angeblich soll diese Spin-Orbit-Resonanz stabil sein so das es zu keiner weiteren Abbremsung seiner Rotation kommt. Warum dies bei ihm so ist und bei den Monden der Planeten nicht würde mich auch mal interessieren.”

    Alle Monde in Spin-Orbit-Resonanz werden nicht weiter gebremst (warum, habe ich im Gezeiten-Artikel erklärt).

  6. #6 Florian Freistetter
    8. Juni 2015

    @Higgs-Teilchen: “Könnte das mit Merkur passieren?”

    Wie schon oben erwähnt: Merkurs Rotation steht shcon in Resonanz mit seiner Umlaufzeit. Und wenn das erst Mal der Fall ist, dann stoppt auch die Gezeitenbremse (weil die Verformungen dann immer entsprechend ausgerichtet sind: Ich hab das hier genauer erklärt: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2008/05/07/der-mond-die-gezeiten/)

  7. #7 PDP10
    8. Juni 2015

    Och! So ein Bild mit den ganzen Monden wie das erste oben wollte ich schon immer mal haben!

    Mir war zB gar nicht bewusst, wieviel Shakespeare Uranus abgekriegt hat 🙂

  8. #8 Jens
    9. Juni 2015

    Warum Monde bzw. Planeten in Spin-Orbit-Resonanz durch die
    Gezeiten nicht weiter gebremst werden, geht aber aus
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2008/05/07/der-mond-die-gezeiten
    nicht hervor, oder habe ich was überlesen?

  9. #9 Florian Freistetter
    9. Juni 2015

    @Jens: “oder habe ich was überlesen?”

    Vielleicht diesen Absatz?

    “Allerdings endet auch diese Entwicklung irgendwann in ferner Zukunft. Wenn wir den Mond betrachten, sehen wir auch warum. Was bei einer Beobachtung des Mondes auffällt, ist, dass wir immer von der Erde aus immer die selbe Seite sehen. Das liegt daran, das der Mond sich in der Zeit, in der er sich einmal um die Erde bewegt auch genau einmal um sich selbst dreht. Und das ist kein Zufall: Grund dafür ist die Gezeitenreibung. Alles, was ich oben über Erde und Mond geschrieben haben gilt natürlich auch umgekehrt! Nicht nur der Mond verursacht Gezeiten auf der Erde; auch die Erde verursacht Gezeiten auf dem Mond. Und diese Gezeitenkräfte sind viel stärker; immerhin ist die Erde knapp 80 mal schwerer als der Mond. Die Gezeitenreibung (ausgeübt von der Erde auf den Mond) hat auf dem Mond dazu geführt, das er sich immer langsamer um sich selbst dreht. Die Rotation des Mondes wurde im Laufe der Zeit immer langsamer und langsamer – solange bis eine Rotation genauso lange gedauert hat wie ein Umlauf des Mondes um die Erde. An diesem Punkt stoppt die Verlangsamung der Rotation – denn nun liegen Erde und Flutberg auf dem Mond immer auf einer Linie und es tritt keine Gezeitenreibung mehr auf. Irgendwann wird das auch mit der Erde passieren. Sie wird immer langsamer und langsamer rotieren bis ein Tag genau einen Monat lag dauert. Ein Monat wird dann auch länger dauern als heute, da der Mond sich ja dann weiter von der Erde entfernt hat – etwa 40 heutige Tage. Wenn man dann vom Mond auf die Erde blickt, wird man auch immer nur eine Seite sehen. Der Fachausdruck für diese Situation heisst “tidally locked” (ich weiß gar nicht, ob es dafür auch ein gebräuchliches deutsches Wort gibt).”

  10. #10 Braunschweiger
    10. Juni 2015

    “tidally locked” (ich weiß gar nicht, ob es dafür auch ein gebräuchliches deutsches Wort gibt)

    “Durch Gezeitenkräfte gebunden(e Rotation)” wäre im Angebot…

  11. #11 Jens
    10. Juni 2015

    Danke Florian. Das die Verlangsamung der Rotation durch die Gezeiten bei einer 1:1 Spin-Orbit-Resonanz stoppt leuchtet mir ein. Aber warum sollte sie bei einer 3:2 Resonanz (Merkur um Sonne) stoppen? Wenn dem so wäre warum gibt es dann viel mehr 1:1 Resonanzen im Sonnensystem als z.B. 2:1 oder 3:2
    oder 3:1 Resonanzen?

  12. #12 AmbiValent
    10. Juni 2015

    @Jens

    Ich habe deine Frage bisher noch nirgendwo gesehen, und ich bin selber kein Experte. Ich habe bloß eine Idee, wie es funktionieren könnte.

    Dazu müsste ich etwas ausholen und die Situation von Erde und Mond zuerst betrachten.

    a) Erde: Auf der Erde bildet sich in Richtung Mond ein Flutberg (und entgegengesetzt der zweite). Die Erdrotation ist aber schneller als die Bewegung des Mondes, so dass der Mond immer etwas hinter dem Flutberg zurückbleibt. Der Mond bremst die Erdrotation also ständig.

    b) Mond: Auf dem Mond gibt es Gesteinsfliutberge, die auf die Erde ausgerichtet sind. Idealerweise bliebe dies so, aber durch den leicht elliptischen Orbit ist der Flutberg zum Teil etwas vor und zum Teil etwas hinter der Position der Erde. Die Mondrotation wird also abwechselnd beschleunigt und gebremst. Würde sie zu schnell, würde sie durch die Erde weniger beschleunigt und stärker gebremst, und umgekehrt. So bleibt die Mondrotation in 1:1 Resonanz.

    Für die anderen großen Monde im Sonnensystem ist die Situation des Erdmonds sehr ähnlich. Auf dem Merkur ist die Situation durch den sehr elliptischen Orbit allerdings anders. Der sonnenfernste Punkt (Aphel) ist etwa 1,5 mal so weit von der Sonne entfernt wie der sonnennächste (Perihel). Das hat zum einen zur Folge, dass die Gezeitenkräfte beim Perihel etwa 1,5^3 mal (also etwa 3,4 mal) stärker sind als im Aphel.

    Zum anderen ist der Merkur im Perihel so schnell, dass er sich schneller um die Sonne bewegt als er rotiert. Vom Flutberg 1 sähe es dann so aus, als ginge die Sonne auf, wandere zum Zenit und würde dabei langsamer, wandere dann von etwas hinter dem Zenit wieder bis etwas vor dem Zenit zurück (in dieser Zeit durchwandert Merkur sein Perihel), und würde anschließend wieder schneller werden, um schließlich unterzugehen. (Direkt danach folgt dann dasselbe Schauspiel für Flutberg 2 auf der anderen Seite des Merkur)

    Ich denke, dass dadurch, dass die Merkurrotation im Perihel von der Sonne sowohl beschleunigt als auch gebremst werden kann, ein Gleichgewichtszustand erreicht wurde, so dass die Merkurrotation nicht weiter abgebremst wird. Beweisen kann ich das allerdings nicht.

  13. #13 Jens
    10. Juni 2015

    @AmbiValent

    Danke, deine Argumentation klingt plausibel.