Die Trojaner des Neptun – Teil 2: Wiedergeburt als Zentauren

Die Trojaner sind eine äußerst interessante Gruppe von Asteroiden. Sie befinden sich in der Nähe der sogenannten Lagrangepunkte eines Planeten. Das sind fünf spezielle Punkte, an denen sich die Kräfte, die von Sonne und Planet ausgeübt werden, gerade die Waage halten. Zwei dieser fünf Punkte sind stabil – das bedeutet in ihrer Umgebung können sich kleine Himmelskörper für sehr lange Zeiten aufhalten. Sie befinden sich direkt in der Bahn des Planeten: jeweils 60 Grad vor bzw. hinter ihm.

Wir kennen ein paar Marstrojaner und einige tausend Jupitertrojaner. Und auch Neptun hat eine eigene Gruppe von Asteroiden, die sich in seinen Lagrangepunkten befinden. Auch wenn hier erst sechs Stück entdeckt worden sind, sind sie aller Wahrscheinlichkeit nach mindestens so zahlreich wie die Jupitertrojaner. Und beide Populationen schätzt man mindestens so groß ein wie des Hauptgürtels der Asteroiden zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter. Über die Jupitertrojaner habe ich hier schon ausführlich geschrieben und kürzlich habe ich eine Arbeit zu den Neptuntrojanern vorgestellt, in der untersucht wurde, wo diese Asteroiden eigentlich her kommen. Die Ergebnisse waren zwiespältig; wegen der schlechten Datenlage sind noch keine eindeutigen Aussagen möglich.

Aber man hat auch untersucht, wie lange die Trojaner eigentlich Trojaner bleiben. Und was mit ihnen danach passiert…

Zentauren und Trojaner

Im äußeren Sonnensystem gibt es nämlich noch eine zweite interessante Gruppe von Asteroiden: die Zentauren. Sie bewegen sich auf Bahnen, die zwischen den Orbits von Neptun und Jupiter liegen. Da sie den großen Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) immer wieder nahe kommen und dabei durch deren große Anziehungskräfte gestört werden, sind ihre Bahnen prinzipiell chaotisch. Darin ähneln sie den erdnahen Asteroiden die quasi das Gegenstück der Zentauren im inneren Sonnensystem darstellen. Auch sie bewegen sich zwischen den Bahnen von Mars und Venus und werden von den Planeten gestört. Auch sie haben deswegen chaotische Bahnen — ich hab das hier detailliert beschrieben.

Da die Asteroiden sich auf chaotischen Bahnen befinden, werden sie irgendwann mit der Sonne oder einem der Planeten kollidieren oder ganz aus dem Sonnensystem geworfen. Ihre Lebenszeit ist also relativ kurz und ihre Population muss ständig erneuert werden. Wo der Nachschub an erdnahen Asteroiden her kommt, wissen wir: die stammen aus dem Hauptgürtel der Asteroiden wo sie durch die Resonanzen mit Jupiter ins innere Sonnensystem umgelenkt werden können.

Gleiches hat man sich bei den Zentauren vorgestellt. Die sollen aus dem Kuipergürtel stammen. Das ist ein Asteroidengürtel, der sich außerhalb der Neptunbahn befindet und die Resonanzen mit Neptun können sie in den Bereich zwischen den äußeren Planeten bringen.

Eine Arbeit die vor kurzem erschienen ist, schlägt nun eine zweite Möglichkeit vor: die Zentauren könnten ehemalige Neptuntrojaner sein! In ihrem Artikel mit dem Titel “The Neptune Trojans – a new source for the Centaurs?” haben Jonathan Horner und Patryk Lykawka genau dieses Szenario untersucht.

Die Arbeit baut auf den Ergebnissen des Artikels auf, den ich gestern vorgestellt habe. Dort wurde untersucht, wie sich Asteroiden verhalten, die schon Neptuntrojaner sind, wenn Neptun durch eine Scheibe von weiteren Asteroiden migriert. Diese Migration hat tatsächlich in der Frühzeit des Sonnensystems stattgefunden. Damals sind Saturn, Uranus und Neptun nach außen gewandert (und Jupiter nach innen). Bei dieser Bahnvergrößerung hat Neptun einige seiner ursprünglichen Trojaner verloren – aber auch neue aus der Asteroidenscheibe eingefangen.

Wer wird zum Zentaur?

Horner und Lykakwa haben nun zuerst einmal nachgesehen, wieviel Trojaner Neptun in den Simulation im Laufe der Zeit eigentlich verloren hat. Das nächste Bild zeigt die Ergebnisse:

Die vier Kurven beziehen sich auf die vier verschiedenen Migrationssimulationen aus dem vorherigen Artikel. Die y-Achse zeigt den Prozentsatz an Trojanern an, die bei Neptun verbleiben (in logarithmischen Maßstab); auf der x-Achse ist die Zeit zu sehen (ebenfalls in logarithmischen Maßstab). Der Zeitraum beträgt ein Milliarden Jahre (die Achsenbeschriftung ist offensichtlich falsch).

Man sieht auf jeden Fall deutlich, dass Neptun kontinuierlich Trojaner verliert – und nicht nur während einer bestimmten Phase der Migration.

Aber was passiert nun mit diesen verlorenen Trojanern? Dazu haben Horner und Lykakwa den ersten tatsächlichen Neptuntrojaner untersucht, der entdeckt wurde. Er trägt den Namen 2001 QR322 und die Autoren haben jede Menge Klone dieses Asteroiden erzeugt. Die Bahnelemente eines Himmelskörpers sind ja immer nur innerhalb gewisser Fehlergrenzen bekannt. Man hat nun einfach jede Menge fiktive Asteroiden erzeugt, deren Bahnen alle innerhalb dieser Fehlergrenzen liegen. Insgesamt waren es 19683 Klone bei denen man untersucht hat, wie sich ihre Bahnen im Lauf der Zeit entwickeln.

Wie schon die ersten Simulationen gezeigt haben, verliert Neptun im Zuge der Migration viele seiner Trojaner – das gleiche ist auch bei einigen der Klone passiert. Die bewegen sich dann nicht mehr in der Nähe der Lagrangepunkte sondern kommen Neptun nahe und können durch dessen starke Gravitationskraft in den Bereich zwischen den Planeten geschleudert werden – sie werden also zu Zentauren! Ein Beispiel dafür sieht man in diesem Bild:

Aufgetragen ist die Entwicklung der großen Halbachse im Laufe der Zeit (in schwarz) und die Entwicklung des Perihelabstands (in blau) – das ist der minimale Abstand zur Sonne, den der Asteroid entlang seiner Bahn haben kann. Im linken Bild sind die ersten 20 Millionen Jahre der Simulation angezeigt: die Halbachse des Trojaners ist mit der des Neptun identisch und er ist während dieser Zeit tatsächlich ein Neptuntrojaner. Dann aber wird er von Neptun verstoßen und seine Halbachse ändert sich dramatisch. Das sieht man im rechten Bild. Zuerst vergrößert sich die Bahn des Asteroiden (der nun kein Trojaner mehr ist), dann verkleinert sie sich wieder und er springt wild zwischen den äußeren Planeten hin und her – er ist ein Zentaur geworden! Schließlich endet er als Mitglied der Jupiter-Familie (eine Gruppe von Kometen) und wird von Jupiter aus dem Sonnensystem geworfen.

Abschätzungen

Neptuntrojaner können als zu Zentauren werden. Die Frage ist nun: stellen sie einen relevanten Anteil an der Gesamtpopulation der Zentauren da? Um das zu beantworten, muss man zwei Paramater kennen: die Gesamtzahl der Neptuntrojaner und die ihre typische Lebensdauer.

Die Analyse der Trojanerklone von Lykakwa und Horner hat gezeigt, dass diese eine dynamische Halbwertszeit von 600 Millionen Jahre haben. Die Anzahl der Trojaner, deren Bahnen denen von 2001 QR322 ähneln, halbiert sich also alle 600 Millionen Jahre.

Die Gesamtzahl der Trojaner ist natürlich nicht exakt bekannt. Wir haben gerade mal 6 Stück entdeckt. Verschiedene andere theoretische Überlegungen und Planetenentstehungsmodell deuten aber darauf hin, dass ihre Zahl mit der Zahl der Asteroiden im Hauptgürtel vergleichbar ist. Die wird (für die großen Objekte mit über einem Kilometer Durchmesser) auf 700000 bis 1,7 Millionen Stück geschätzt. Wenn wir konservativ schätzen heisst das also, dass es mindestens eine Million große Neptuntrojaner gibt. Wenn wir ebenso konservativ eine dynamische Halbwertsszeit von 2 Milliarden Jahren annehmen (2001 QR322 muss ja nicht unbedingt repräsentativ für alle Trojaner sein), dann heisst das, das während der letztn 2 Milliarden Jahre eine Million Neptuntrojaner zu Zentauren wurde – also ein Asteroid alle 2000 Jahre. Insgesamt würden die Neptuntrojaner damit 6% der Gesamtpopulation der Zentauren ausmachen.

Aber wie gesagt: diese Abschätzung war extrem konservativ. Verwendet man Werte, die vermutlich realistischer sind kommt man auf eine Rate von einem Trojaner pro 200 Jahre, der zu einem Zentauren wird und einem Anteil von 60% an der Gesamtpopulation! Folgt man noch optimistischer Abschätzungen – die aber immer noch realistisch sind – dann wird alle 60 Jahre ein Trojaner zu einem Zentauren und die Neptuntrojaner stellten damit die absolut dominante Quelle der Zentauren da!

Lykakwa und Horner schreiben in ihrem Artikel selbst, dass die Abschätzunge im Moment noch nicht mehr sind als eben Abschätzungen. Es gibt allerdings auch Beobachtungsdaten, die ihre These unterstützen. Man weiß, dass die Zentauren in zwei verschiedenen Arten vorkommen: rot und blau (das ist die Farbe, die in ihrem Spektrum dominiert und die auf die Oberflächenbeschaffenheit zurückzuführen ist). Die Trojaner sind nun ebenfalls blau (im Gegensatz zu den eher roten Kuipergürtelasteroiden aus dem die anderen Zentauren stammen) und wenn sie die dominante Quelle der Zentauren darstellen, dann sollten blaue Zentauren in der Mehrheit sein – was durch Beobachtungsergebnisse bestätigt wird.

Die aktuellen Daten scheinen also ein Szenario zu bevorzugen, bei dem die Neptuntrojaner einen signifikanten Anteil der Zentauren produzieren. Wie groß dieser Anteil aber tatsächlich ist, werden erst zukünftige Beobachtungsdaten zeigen.

Die Trojaner sind eine äußerst interessante Gruppe von Asteroiden. Sie befinden sich in der Nähe der sogenannten Lagrangepunkte eines Planeten. Das sind fünf spezielle Punkte, an denen sich die Kräfte,...