Hinter der Bahn des Neptun befinden sich jede Menge Asteroiden. Viel mehr als im klassischen Asteroidengürtel zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter. Die Himmelskörper dort sind ganz eigene Welten, aus Eis und viel größer als im inneren Sonnensystem. Viel wissen wir über diesen “Kuipergürtel” allerdings noch nicht.
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Transkription
Sternengeschichten Folge 174: Der Kuipergürtel
Unser Sonnensystem besteht aus der Sonne und acht Planeten. Und jeder Menge Asteroiden! Die Region zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter beherbergt den “Asteroidengürtel” und dort wurden im 19. Jahrhundert auch die ersten Asteroiden entdeckt. Aber die kleinen Himmelskörper gibt es nicht nur dort. Ein viel größeres Reservoir an Asteroiden befindet sich außerhalb der Bahn des Neptuns – im sogenannten “Kuipergürtel”.
Nimmt man alle Objekte im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter zusammen, haben sie eine Gesamtmasse die nur 4 Prozent der Masse unseres Mondes entspricht. Im Kuipergürtel findet man viel mehr Objekte, sie haben eine Gesamtmasse die ungefähr dem achtfachen der Mondmasse entspricht. Bis jetzt hat man ein paar tausend Asteroiden im Kuipergürtel entdeckt. Das ist deutlich weniger als die hunderttausenden Objekte, die man im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter kennt. Aber der Kuipergürtel ist ja auch viel weiter entfernt.
Schematische Darstellung von Kuipergürtel und Oortscher Wolke (Bild: NASA)
Von der Sonne bis zur Umlaufbahn des Neptuns sind es ungefähr 30 Astronomische Einheiten; also eine Distanz die dem 30 fachen Abstand zwischen Erde und Sonne entspricht. Bei 40 Astronomischen Einheiten beginnt der Kuipergürtel und er endet bei circa 75 Astronomischen Einheiten, ist also breiter als das gesamte Sonnensystem innerhalb der Bahn des Neptuns.
Man unterscheidet zwei grundlegend unterschiedliche Gruppen von Kuipergürtel-Asteroiden. Da sind zuerst die sogenannten “Resonanten KBOs”. “KBO” steht dabei für “Kuiper belt object”, also “Kuipergürtelobjekt”. Und “Resonant” bedeutet, dass die Umlaufzeiten dieser Asteroiden in einem ganzzahligen Verhältnis zur Umlaufzeit des Neptun stehen. Über Resonanzen habe ich schon in Folge 8 der Sternengeschichten gesprochen. Es geht im wesentlichen darum, dass sich gravitative Störungen verstärken oder abschwächen können, wenn die Umlaufzeiten zweiter Himmelskörper gerade richtig zusammenpassen.
Pluto ist ein gutes Beispiel dafür. Der frühere Planet gehört zu den resonanten KBOs. Während er zweimal um die Sonne läuft, schafft Neptun drei Runden um den Stern. Die Umlaufbahnen von Pluto und Neptun stehen also in einer 3:2 Resonanz. Alle 3 Plutojahre bzw. alle 2 Neptunjahre stehen die beiden Himmelskörper also wieder in genau der gleichen Position zueinander. In diesem Fall ist das ganze so synchronisiert, dass Pluto und Neptun immer weit voneinander entfernt sind. Sie kommen einander nicht nahe, obwohl Pluto eine so langgestreckte Bahn hat, dass er der Sonne manchmal näher ist als Neptun. Aber die Resonanz sorgt dafür, dass der Abstand zwischen ihnen immer groß bleibt. Neptun kann also nur wenig gravitative Störungen ausüben und Plutos Umlaufbahn ist besonders stabil.
Aber nicht nur die Bahn von Pluto. Bei einem Abstand von circa 40 Astronomischen Einheiten findet man nicht nur Pluto, sondern eine ganze Gruppe von Asteroiden, die sich alle in einer 3:2 Resonanz mit Neptun befinden. Darunter sind zum Beispiel der knapp 800 Kilometer große Asteroid Orcus oder der 720 Kilometer große Ixion. Aber noch viele andere, die alle zusammen die resonante Gruppe der “Plutinos” bilden. Bei einem Abstand von etwa 48 Astronomischen Einheiten finden sich die Asteroiden, die eine Runde um die Sonne schaffen während Neptun sie zweimal umkreist; also die Objekte in einer 2:1 Resonanz bzw. die “Twotinos” wie sie auch genannt werden. Es gibt noch weitere resonante Gruppen, zum Beispiel die 5:2 Resonanz bei einem Abstand von 54 Astronomischen Einheiten, die 5:3 Resonanz bei 42 Astronomischen Einheiten oder die 7:4 Resonanz bei 44 Astronomischen Einheiten.
Neben diesen über den ganzen Kuipergürtel verstreuten resonanten KBOs gibt es aber auch noch die “Klassischen KBOs”. Sie befinden sich am inneren Rand des Kuipergürtels und sind zwischen 41 und 48 Astronomischen Einheiten von der Sonne entfernt. Ihre Umlaufbahnen stehen nicht in Resonanz zu Neptun, sind annähernd kreisförmig und kaum beziehungsweise nur vergleichsweise wenig gegenüber der Ebene des Sonnensystems geneigt.
Sieht man einmal von Pluto ab, dann wurde auch genau dort der erste Asteroid des Kuipergürtels entdeckt. David Jewitt und Jane Luu fanden hier im Jahr 1992 einen circa 150 Kilometer großen Asteroiden, der damals die vorläufige Bezeichnung 1992 QB1 bekommen hat. Normalerweise werden diese Katalognummern irgendwann durch richtige Namen ersetzt; in diesem Fall ist das aber nie passiert und es hat sich der Spitzname “QB1”; ausgeprochen “KuBeOne” eingebürgert. Da 1992 QB1 ein Prototyp für die klassischen Kuipergürtelobjekte ist, werden diese daher auch oft kollektiv als “Kubewanos” bezeichnet.
Eine dritte große Gruppe von Asteroiden befindet sich hinter der Ring der Kubewanos. Circa 50 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt beginnt die sogenannte “gestreute Scheibe” oder “scattered disk” auf englisch. Die Objekte dort haben keine kreisförmigen Umlaufbahnen mehr sondern stark elliptische. Sie können der Sonne bis auf 35 Astronomische Einheiten nahe kommen, sich aber bis zu 2000 Astronomische Einheiten weit entfernen. Ihre Bahnen sind auch oft noch stark gegenüber der Ebene des Sonnensystems geneigt und weil sich die gestreute Scheibe so stark von den übrigen Asteroidengruppen unterscheidet, wird sie meistens als eigene Struktur betrachtet und nicht zum Kuipergürtel selbst gezählt.
Die Asteroiden des Kuipergürtels sind die Überreste der Planetenentstehung. Bevor in der Frühzeit des Sonnensystems die ersten großen Himmelskörper entstanden, gab es nur jede Menge kleine Brocken aus Fels und Eis. Die kollidierten miteinander und wuchsen so zu größeren Objekten. Je weiter weg sich ein Himmelskörper von der Sonne befindet, desto langsamer bewegt sich aber. Und in größere Entfernung ist natürlich auch mehr Platz über den sich die Brocken verteilen können. Im Kuipergürtel gab es also im Laufe der Geschichte des Sonnensystems viel zu wenig Kollisionen zwischen den Himmelskörpern, als dass sie zu wirklich großen Planeten anwachsen konnten. Viele Details über die Entstehung und Entwicklung des Kuipergürtels sind aber noch unbekannt und auch umstritten. Von dort gibt es auch kaum Beobachtungsdaten. Bis auf Pluto haben wir keinen Asteroid des Kuipergürtels aus der Nähe beobachtet und ohne solche Informationen lässt sich wenig über die Mechanismen sagen, die die Himmelskörper dort formen.
Die Unklarheiten über den Kuipergürtel beginnen eigentlich schon beim Namen. Benannt ist die Region nach dem Astronomen Gerard Kuiper. Er war aber bei weitem nicht der erste, der sich Gedanken über Asteroiden hinter der Bahn des Neptun gemacht hat. Das war der amerikanische Astronom Frederick Leonard der schon 1930, nach der Entdeckung von Pluto darüber spekulierte, ob Pluto nicht eines von vielen Objekten hinter der Bahn des Neptun sein könnte. Dann kam der irische Astronom Kenneth Edgeworth, der 1943 eine wissenschaftliche Arbeit verfasste und erklärte, dass sich so fern der Sonne eigentlich keine Planeten bilden können und die Region hinter der Neptunbahn deswegen von vielen kleinen Himmelskörpern bevölkert sein solle.
Gerard Kuiper (Bild: Dutch National Archives, The Hague, Fotocollectie Algemeen Nederlands Persbureau (ANEFO), 1945-1989, Nummer toegang 2.24.01.05 Bestanddeelnummer 916-8171, CC-BY-SA 3.0)
Erst 1951 erschien eine Arbeit von Gerard Kuiper, der ähnliche Gedanken wie Edgeworth äußerste, allerdings zu einer ganz anderen Schlußfolgerung kam. Kuiper ging damals noch davon aus, dass Pluto ungefähr so groß wie die Erde sein müsse und mit seiner Gravitationskraft alle Asteroiden in seiner Umgebung aus dem Sonnensystem geworfen hat. Kuiper sagte also tatsächlich voraus, dass es keinen Asteroidengürtel hinter der Bahn des Neptun geben könne!
Dass der nun aber doch existierende Asteroidengürtel gerade nach dem Mann benannt ist, der behauptet hat, es würde ihn nicht geben, ist eine der vielen historischen Kuriositäten in der Wissenschaft. Wenn alles mit rechten Dingen zugegangen wäre, würde man die Region heute Leonard-Edgeworth-Gürtel nennen. Aber die Geschichte ist nicht immer gerecht. Und der Kuipergürtel ist faszinierend, egal welchen Namen er trägt! Er gehört immer noch zu den unbekannten Regionen des Sonnensystems. Wir wissen zwar, dass es dort viele große und kleine Asteroiden gibt. Aber mehr auch nicht. Bis auf Pluto ist keiner dieser Himmelskörper von einer Raumsonde besucht worden und das wird sich so schnell auch nicht ändern. Und der Kuipergürtel ist ja erst der Anfang! Über die gestreute Scheibe die hinter ihm liegt wissen wir noch viel weniger und die sich daran anschließende Region der Oortschen Wolke ist mehr oder wenig völlig unerforscht. Am Rand des Sonnensystem gibt es noch jede Menge zu entdecken. Aber das ist wieder eine ganz andere Geschichte…
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