Eine sehr beliebte Frage zur Astronomie” beschäftigt sich mit der Rotation der Planeten: Warum rotieren die Planeten um ihre Achse? Gerne auch erweitert um: Gibt es einen Grund, warum sie mit der Geschwindigkeit rotieren mit der sie es tun? Und: Muss jeder Planet/Himmelskörper rotieren?. Das sind interessante Fragen, die ich deswegen heute kurz erläutern will.

Zuerst einmal ist alles flach; so wie die Ringe des Saturn (Bild: NASA/JPL/SSI)

Zuerst einmal ist alles flach; so wie die Ringe des Saturn (Bild: NASA/JPL/SSI)

Eine kurze Antwort auf die Frage nach der Ursache der Rotation würde lauten: Drehimpulserhaltung! Planeten und Sterne entstehen aus großen Wolken voller Gas und Staub. Die rotieren erstmal nicht; zumindest nicht im klassischen Sinn. Aber natürlich bewegen sich die Gas- und Staubteilchen. Alles bewegt sich, das liegt an der Gravitationskraft, die alles auf alles andere ausübt. Stillstand könnte es nur geben, wenn nur ein einziges Objekt im Universum vorhanden wäre (und dann hätte man noch das philosophische Problem zu lösen, das in diesem Fall der Begriff “Bewegung” mangels Bezugspunkt sowieso keinen wirklichen Sinn macht). Durch äußere Störungen können Staub und Gas anfangen, sich zusammenzuballen. Die Wolke wird dichter, klumpiger und es kommt zu Kollisionen. Das führt dazu, dass aus der Wolke eine Scheibe wird. Bei den Kollisionen verlieren die Teilchen Energie und ordnen sich im Laufe der Zeit alle (mehr oder weniger) in einer Ebene an. Ganz aufhören sich zu bewegen können sie nicht, das verlangt die Erhaltung des Drehimpulses. Also bilden sie eine Scheibe. Der gleiche Prozess findet in den Saturnringen statt, die ebenfalls flach sind oder auch den Sternen in Galaxien.

Jetzt haben wir also jede Menge Brocken, die einen Stern in einer Scheibe umkreisen. Auch sie kollidieren miteinander und bilden so Planeten. Dabei bleibt der Drehimpuls ebenfalls erhalten. Und da sich die Brocken vorher um den Stern herum bewegt haben, kann diese Drehung nicht einfach verschwinden und die aus den Kollisionen entstandenen Planeten drehen sich ebenfalls, diesmal um ihre eigene Achse. Das tun sie jetzt aber schneller – hier kommt der gleiche Effekt ins Spiel, den jeder kennt, der sich schon mal auf einem Bürostuhl im Kreis gedreht hat. Streckt man die Hände weit aus, dreht man sich mit dem Stuhl langsamer als wenn man sie eng an den Körper heran zieht. Auch das ist wieder die Drehimpulserhaltung: Je kompakter ein Objekt wird, desto schneller muss es sich drehen.

Mit welcher Geschwindigkeit das aber genau passiert, lässt sich nicht vorhersagen. Der Entstehungsprozess läuft chaotisch ab. Am Anfang, wenn nur jede Menge kleinere Objekte miteinander kollidieren, ist der Beitrag jedes einzelnen davon noch nicht so relevant. Aber später, wenn dann schon recht große Himmelskörper miteinander zusammenstoßen, kann sich einiges tun. Wenn ein fast fertiger Planet mit einem anderen, ebenso großen fast fertigen Planet zusammenstößt oder beide auch nur streifend aneinander vorüber ziehen, kann das massive Auswirkungen auf die Rotationsperiode haben. Je nach Richtung und Ablauf der Kollision kann die Rotation stark beschleunigt oder auch gebremst werden.

Das ist vermutlich der Grund für die seltsame Rotation der Venus. Im Gegensatz zu fast allen anderen Planeten des Sonnensystems rotiert sie retrograd. Das heißt, dass sie sich nicht in der gleichen Richtung um ihre Achse dreht, in der sie sich auch um die Sonne herum bewegt sondern genau anders herum. Und sie braucht dafür extrem lange: 243 (Erd)Tage und damit länger als die Venus für eine Runde um die Sonne benötigt! Der Venustag ist länger als ein Jahr und der Grund dafür ist vermutlich eine enorm heftige Kollision während der Entstehungsphase der Planeten.

Schematische Darstellung der Rotation der Venus während eines Umlaufs um die Sonne - die Zahlen geben die Position der Venus im Abstand von jeweils 10 (Erd)Tagen an (Bild: NASA)

Schematische Darstellung der Rotation der Venus während eines Umlaufs um die Sonne – die Zahlen geben die Position der Venus im Abstand von jeweils 10 (Erd)Tagen an (Bild: NASA)

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Kommentare (25)

  1. #1 Benny
    22. Juni 2015

    Wie sieht es bei Gasplaneten genau aus? Gibt es da auch eine differentielle Rotation wie bei der Sonne? Rotiert der Kern schneller als die Hülle?

  2. #2 phunc
    22. Juni 2015

    Hat man eigentlich eine Idee, was die Ausrichtung der Scheibe im Raum beeinflusst, wenn es zur Scheibenbildung kommt? Aus einer “Kugel” wird ja eine “Fläche”, aber diese “Fläche” kann sich ja irgendwie im Raum orientieren. Ist das einfach Zufall oder hat man eine Vermutung ob es einen Mechanismus gibt der das beeinflusst?

  3. #3 Snofru
    22. Juni 2015

    “Deine” Definition von Venus-Tag finde ich etwas seltsam. Es ist eine 360 Grad Rotation von außen her betrachtet. Würde man sich aber auf der Venus befinden (z.B. an der Stelle wo das Kreuz ist), dann wäre ein Venustag nur etwa 120 Erdtage (Sonnenaufgang bei 30 und 150).

    Mir ist schon klar, dass man da natürlich verschiedene Definitionen haben kann/muss. Aber wir definieren auf der Erde ja auch einen Tag nach dem Stand der Sonne am Himmel.

  4. #4 Crazee
    22. Juni 2015

    Das ist die Unterscheidung zwischen Sonnentag, Sternentag und Siderischem Tag.

    Florians ist der siderische, Deiner der Sonnentag.

  5. #5 Karsten
    22. Juni 2015

    @phunc: Ohne Florian vorgreifen zu wollen – meine 2 cent sagen, dass die Gravitation entscheidet, wie sich die Scheibe ausrichtet. Sterne entstehen ja selten einzeln, sondern nahezu immer in Gruppen innerhalb von Nebeln. Man redet ja nicht umsonst vom Orion-Nebel als dem “Kreiss-Saal der Sterne” und es gibt ja auch die “Säulen der Schöpfung” als bekannte Sternentstehungsregion. (Außerdem muß ja einen Grund geben, dass die Mehrzahl der Sterne sich am Ende in Doppel- oder gar Mehrfachsternsystemen wiederfindet; dass sie relativ zeitgleich entstanden sind, ist da sicher einer der Gründe)

    Wenn dann zwei dieser jungen Sterne mehr oder weniger dicht aneinander vorbei fliegen, dann sollte es eigentlich immer einen massereicheren und einen masseärmeren geben, und die gravitative Wirkung, die beide aufeinander ausüben, könnte schon einen Einfluß auf die endgültige Ausrichtung der jeweiligen planetaren Scheiben haben – und sei es dadurch, dass der massereichere Stern in der planetaren Scheibe des masseärmeren “wildert” und etwas davon für sich abzweigt..

  6. #6 Braunschweiger
    22. Juni 2015

    @phunc, Karsten:
    Die Drehung der Staubscheibe dürfte durch den Gesamtdrehimpuls bestimmt werden. Drehung und (Bahn-)Drehipuls haben eine Achse, und die dürfte die Achse des Rotationssystems bestimmen. Das schließt nicht aus, dass externe Massen einen Einfluss auf die Bewegung und damit auf die Achse haben können.

  7. #7 Crazee
    22. Juni 2015

    Hier: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/11/25/durch-milliarden-lichtjahre-getrennt-und-trotzdem-verbunden-die-seltsame-ausrichtung-der-fernen-quasare/
    hat Florian etwas über die nicht zufällige Ausrichtung von Quasaren geschrieben. Ich könnte mir durchaus vorstellen, dass so ein Effekt auch bei Planetensystemen auftauchen könnte.

  8. #8 Narthex
    Wien
    22. Juni 2015

    Aber der Gesamtdrehpuls muss schon ganz zu Beginn dagewesen sein.
    D.h. schon in der ursprünglichen Wolke muss sich etwas (ganz gemächlich, weil ja auch riesig) gedreht haben, oder?

  9. #9 Braunschweiger
    22. Juni 2015

    @Narthex: Vermutlich ja, es gilt der Impulserhaltungssatz. Sofern es ein geschlossenes System ist; durch Einfluss von außen kann aber der Impuls vermehrt oder vermindert werden. Ich gehe mal davon aus, ohne da Fachmann zu sein, dass die Bahndrehimpulse einzelner Partikel sich vektoriell zu einem Gesamtdrehipuls des Systems addieren.

  10. #10 Artur57
    22. Juni 2015

    @Nartex

    Nicht zwingend. Habe ähnliche Prozesse mal am Computer simuliert und habe Brocken willkürlicher Größe, Richtung und Geschwindigkeit angenommen. Erstmal muss sich ein Drehsinn herausbilden: das ist wie bei der Badewanne, irgendwie fließt das Wasser ab, entweder links herum oder rechts herum. Hat man sich darauf geeinigt, müssen noch diejenigen Brocken korrigiert werden, die irgendwie schräg zur Drehachse unterwegs sind.

    Das Ganze funktioniert überwiegend durch Kollisionen. Die Mehrzahl der Zusammenstöße endet damit, dass die Überreste zum Zentrum hin fallen. Dorthin bewegen sich dann auch die Gasmassen und so verwundert es nicht, dass dort die Sonne entsteht. In unserem Sonnensystem sind 99 Prozent der Masse in der Sonne konzentriert. So viel Opfer war nötig, damit der Rest in einer Ekliptik rotiert.

    Es ist nicht notwendig, dass die ursprüngliche Anordnung einen Drehimpuls hatte. Die Körper verlieren durch ihren Fall auf das Zentrum hin an potentieller Energie. Die muss irgendwie umgesetzt werden und was bleibt da außer Rotation um die Sonne und Eigenrotation?

  11. #11 Braunschweiger
    22. Juni 2015

    @myself: Zu meiner Antwort müsste ich noch hinzufügen, dass jedes Partikel gemäß der es umgebenden Masseverteilung zum Massezentrum hin beschleunigt wird. Das ist wesentlich, und damit kann tatsächlich mit einem Gesamtdrehimpuls von Null begonnen werden.

    @Arthur57: Du hast es schon so beschrieben, also: das System verhält sich nicht wie eine inkompressible Flüssigkeit in einer Wanne mit Abfluss (der Vergleich passt schlecht), sondern wie ein kompressibles Gas. Die Unterschiede sollten sein: die durchschnittlichen Partikelabstände, die statistische Verteilung der Zeitintervalle zwischen zwei Kollisionen, die Verteilung der Relativgeschwindigkeiten und der Bewegungsrichtungen je zwei beteiligter Partikel.

  12. #12 Alderamin
    22. Juni 2015

    @Narthex

    Ein bisschen Turbulenz in der Wolke (etwa durch nahe vobeifliegende Sterne oder die Stoßwelle benachbarter Supernovae, die typischerweise den Kollaps auslösen), reicht schon. Vielleicht auch eine asymmetrische Massenverteilung.

    Außerdem geschieht das Ganze in einer rotierenden Galaxie. Was von der Zentrum nach außen fällt, ist zu schnell, was nach innen fällt, ist zu langsam für den Schwerpunkt der Wolke, das ergibt schon einen kleinen Anfangsdrehsinn.

  13. #13 Artur57
    23. Juni 2015

    @Braunschweiger

    Gase und Flüssigkeiten sollte man hier nicht als Modell nehmen, denn deren Moleküle stoßen sich ja elastisch. Hingegen Felsbrocken sind ziemlich unelastisch.

    Die Drehrichtung bildet sich wie in der Badewanne aufgrund einer “Mehrheitsentscheidung”. Wobei der Strudel in der Badewanne nur einen Freiheitsgrad hat, die Wahl der Rotationsachse beim Sonnensystem hingegen kann in drei Dimensionen frei gewählt werden. Eben die Achse, die die größte Mehrheit auf sich vereinigen kann.

    Ja, warum dreht sich der Planet üblicherweise im gleichen Sinn wie die Scheibe? Außer der Venus natürlich. Es ist so: gleich schwere Körper haben unterschiedliche Energien auf verschiedenen Umlaufbahnen. Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie ist beim weiter außen liegenden Brocken größer. Stürzt dieser nun auf einen Planeten, so setzt er seine potentielle Energie in kinetische um, das heißt, er fliegt dann schneller als der Planet und beschleunigt diesen beim Aufprall. Aus demselben Grund bremst ein von innen kommender Körper den Planeten auf dessen Innenseite. Insgesamt gibt das eine Rotation im Sinne der Drehrichtung der Umlaufbahnen.

  14. #14 Darth Ewok
    23. Juni 2015

    was ist eigentlich der grund dafür, dass die oortsche wolke nahezu kugelförmig um die sonne herum ist. sollte die nicht auch eine scheibenform haben?

  15. #15 Florian Freistetter
    23. Juni 2015

    @Darth Ewok: Die Oortsche Wolke (http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/04/03/das-unbekannte-ende-des-sonnensystems-die-oortsche-wolke/) ist ja nicht ursprünglich aus der Scheibe entstanden sondern durch die chaotischen Prozesse während der Planetenentstehung bei der jede Menge Planetesimale nach außen geschleudert worden sind. Und da draußen findet viel zu wenig Interaktion statt, damit sich die Objekte irgendwann in einer Scheibe zusammenfinden könnten.

  16. #16 Erwin Anton
    23. Juni 2015

    in einem anderen Artikel wurde dargelegt, dass die gebundene Rotation das “Endstadium” wäre (etwas unglücklich formuliert).
    Wenn die Venus nun langsamer als gebunden rotiert, kann es sein, dass sie durch die Gezeitenwirkung beginnt, sich schneller zu drehen (durch die Drehimpulserhaltung müsste sich der Abstand zu Sonne ändern – oder die Drehung der Sonne – oder so was ähnliches)

  17. #17 UMa
    23. Juni 2015

    @Florian
    “Der Venustag ist länger als ein Jahr und der Grund dafür ist vermutlich eine enorm heftige Kollision während der Entstehungsphase der Planeten.”
    Das ist mir neu.
    Ich dachte immer die heutige Rotation der Venus ist durch die Gezeitenwechselwirkungen entstanden.
    Siehe z.B.:
    The four final rotation states of Venus
    Alexandre C. M. Correia & Jacques Laskar
    http://www.nature.com/nature/journal/v411/n6839/abs/411767a0.html

  18. #18 Florian Freistetter
    23. Juni 2015

    @UMa: Es gibt verschiedene Hypothesen und die mit den Gezeiten ist eine davon. Die Kollision ne andere. Genau weiß man es nicht (und wirds wohl auch nicht wissen können).

  19. #19 Alderamin
    23. Juni 2015

    @UMa, Florian

    Es gibt noch eine interessante Hypothese: Venus hatte durch eine Kollision einen Mond wie den unsrigen bekommen, der sich vom Planeten entfernte. Ein zweiter Einschlag erzeugte einen weiteren Mond, kehrte aber die Rotation um, die dann aber anscheinend viel kürzer als heute war (ich nehme an, nur so war es dynamisch möglich, dass genug Material in den Venusorbit kommen konnte, um einen Mond enstehen zu lassen). Beide Monde waren dann im Vergleich zur Rotationsrichtung von Venus retrograd, sind deswegen bald auf den Planeten gecrasht und haben dessen Rotation fast zum Stillstand gebracht. Klingt abgedreht? Habe ich von da:

    http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/why-doesnt-venus-have-a-moon/

  20. #20 Braunschweiger
    23. Juni 2015

    @Arthur57 #13:
    Es geht hier nicht darum, ob ein Felsbocken “unelastisch” ist, sondern darum, welche Modellierung zum Ziel führt. Zwischen den beiden entgegengesetzten Grenzmöglichkeiten des elastischen und des plastischen Stoßes geht es darum, wieviel der kinetischen Energie weitergegeben, und wieviel in Verformung etc. umgesetzt wird. Vermutlich muss man ein Mischmodell eines teilelastischen Stoßes implementieren, da es ja auch eine Form von Reibung und das Zusammenklumpen von Materie gibt (soweit es für die Modelle zutrifft).

  21. #21 Rother Uhu
    23. Juni 2015

    Hallo Floran!

    Du schreibst: „… dass aus der Wolke eine Scheibe wird.“

    Ich habe das bisher über die Planetenentstehung gelesene eher so interpretiert:

    … das ein oder mehrere Teile einer Wolke zu einer oder mehreren Scheiben kollabieren.

    Also nicht die gesamte Wolke in eine Scheibe zusammenfällt. Was meinst du dazu?

    Gruß Peter

  22. #22 Alderamin
    23. Juni 2015

    @Rother Uhu

    Du liegst richtig, eine Molekülwolke fragmentiert in viele kleine Bok-Globulen (Verdichtungszonen), die dann sogenannte Herbig-Haro-Objekte bilden (dort kollidieren die Jets neugeborener Sterne mit dem umliegenden Material) die schließlich zu Sternen eines gemeinsamen Sternhaufens werden.

  23. #23 UMa
    25. Juni 2015

    @Florian:
    Unabhängig, was in der Anfangszeit des Planeten passiert ist, bremsen die Gezeitenkräfte die Rotation in einen solchen Endzustand ab. Wir beobachten einen solchen Endzustand bei der Venus. Die Frage ist nur, ob die Zeit dafür ausreicht, was davon abhängt, wie schnell die Venus früher rotierte.
    @Alderamin: Das mit den zwei Impakten klingt kompliziert. Ist das nötig, um die Rotation der Venus zu erklären?

  24. […] Frage 040: Warum rotieren die Planeten so um ihre Achse wie sie es tun? […]

  25. #25 Werner Hartmann
    Neukirchen-Vluyn
    10. November 2018

    Ein paar Berechnungen zum Thema:
    https://sonnenrotation-sonnensystem.jimdo.com