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Sternengeschichten Folge 125: James Clerk Maxwell und die Ringe des Saturn

Von / 17. April 2015 / 9 Kommentare
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“Es ist eine der beeindruckensten Anwendungen der Mathematik auf die Physik, die ich jemals gesehen haben”. Das hat der königliche Astronom George Airy über die Arbeit des Mathematikers James Clerk Maxwell gesagt. Maxwell hat probiert zu erklären, woraus die Ringe des Saturn bestehen. Handelt es sich um eine feste Struktur? Eine Flüssigkeit? Eine Ansammlung einzelner Brocken? Vor Maxwell gab es viele Vermutungen, aber niemand war in der Lage gewesen, das Problem mathematisch rigoros anzugehen und zu berechnen, welche Arten von Saturnringen stabil sind und welche nicht. Maxwell hat die Antwort auf dieses Problem gefunden und die heutige Folge der Sternengeschichten erzählt davon.

Sternengeschichten-Cover

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Die Sternengeschichten gibts natürlich auch bei iTunes (wo ich mich immer über Rezensionen und Bewertungen freue) und alle Infos und Links zu den vergangenen Folgen findet ihr unter https://www.sternengeschichten.org.



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Kommentare (9)

  1. #1 Artur57
    Mannheim
    17. April 2015

    Gut, jetzt wissen wir, warum sich die Teilchen der Saturnringe nicht zu größeren Gebilden zusammen fügten, obwohl sie sich ja gravitativ anziehen.

    Dafür haben wir ein anderes Problem: die Sonne war ja auch einmal von einer Staubscheibe umgeben und hier hat sich das Material zu Planeten zusammen geballt. Mit nur kleinen Ausnahmen: der Asteroidengürtel hat nur ein Fünfzigstel der Masse des Erdmondes. Also vernachlässigbar. Was war da der Unterschied?

    These: dies geschah im Moment des Zündens der Fusionsreaktion in der Sonne. Ab da schickt sie in Form des Sonnenwindes hochenergetische Partikel in die Umgebung, die dort die Keplerbahnen der Asteroiden stören. Und zwar je nach Oberfläche und Gewicht des Brockens verschieden. Die Folge ist eine regelrechte Serie von Kollisionen als deren Endprodukt die Planeten entstanden.

    Das muss nicht beim ersten Mal geklappt haben, soweit man weiß, hat die Sonne mehrere Anläufe genommen, um die Kernfusion zu zünden.

    Kann man das so sehen?

  2. #2 Alderamin
    17. April 2015

    @Artur57

    Dafür haben wir ein anderes Problem: die Sonne war ja auch einmal von einer Staubscheibe umgeben und hier hat sich das Material zu Planeten zusammen geballt. Mit nur kleinen Ausnahmen: der Asteroidengürtel hat nur ein Fünfzigstel der Masse des Erdmondes. Also vernachlässigbar. Was war da der Unterschied?

    Der Saturnring befindet sich innerhalb der Roche-Grenze des Planeten, das ist die Zone, wo die Gezeitenkraft (die Differenz der Schwerkraft über den Radius) so groß ist, das große, nur lose zusammenhängende Objekt zerstört werden (weil die Umlauzeit weiter innen kleiner als weiter außen ist, wirken Scherkräfte).

    Alle Planeten im Sonnensystem liegen weit außerhalb der Roche-Grenze der Sonne. Beim Asteroidengürtel spielte ein anderer Effekt eine Rolle, die Schwerkraft des Jupiter, der bei seinen Passagen immer wieder die Bahnen der Asteroiden durcheinanderwirbelte und somit verhinderte, dass sich größere Objekte zusammenfügten. Diese dürfen ja nicht mit sehr viel Wucht aufeinander prallen, um sich miteinander zu verbinden. Jupiter sorgte dafür, dass die Asteroiden nicht friedlich auf Kreisbahnen nebeneinander kreisten, sondern schickte immer wieder Objekte auf Kollisionskurse mit anderen Asteroiden, so dass sie sich gewissermaßen gegenseitig klein mahlen.

  3. #3 Florian Freistetter
    17. April 2015

    @Artur: Wie Alderamin schon gesagt hat: Deine These funktioniert nicht. Und Maxwell wollte übrigens auch nicht erklären, warum sich in den Saturnringen kein größeres Objekt gebildet hat. Darüber sagt er nichts aus; es ging ihm nur darum herauszufinden, welche stabilen Konfigurationen die Beobachtungen erklären können. Die Entstehung von Asteroiden/Planeten/etc ist ein sehr komplexes Thema das mit ganz anderen Methoden betrachtet werden muss und nicht nur rein gravitativ.

    Ohne unhöflich sein zu wollen: Möchtest du mal die restlichen Sternengeschichten (sternengeschichten.org) anhören? Da habe ich schon sehr viel über Himmelsmechanik, die Entstehung von Planeten, die Wechselwirkung von Monden, Ringen, etc erklärt… da findest du sicher ein paar interessante Informatione. (Und gebloggt habe ich darüber in den letzten 8 Jahren auch mehr als ausführlich).

  4. #4 Artur57
    Mannheim
    17. April 2015

    @Alderamin

    “Der Saturnring befindet sich innerhalb der Roche-Grenze des Planeten, das ist die Zone, wo die Gezeitenkraft (die Differenz der Schwerkraft über den Radius) so groß ist, das große, nur lose zusammenhängende Objekt zerstört werden (weil die Umlauzeit weiter innen kleiner als weiter außen ist, wirken Scherkräfte).”

    Eben – große Objekte. Die Roche-Grenze ist ja nicht ein definierter Radius, sondern sie ist für verschiedene Objekte verschieden. Für große Objekte liegt sie weiter innen, für kleine weiter außen. Die Saturnringe bestehen aus mikrometerfeinem Staub bis hin zu Objekten, die “einige Meter” groß sind. Also Größenordnungen, in denen der Roche-Effekt nicht die geringste Rolle spielt.

    Deine These zum Asteroidengürtel habe ich gelesen. Denkbar ist das natürlich. Aber ich kann meine These an dieser Stelle eben auch verteidigen. Die Wirkung des Sonnenwindes lässt natürlich nach außen nach, schon weil seine Dichte abnimmt und eben auch seine Geschwindigkeit. Dort war der Effekt nicht stark genug, um einen Planeten zu generieren. Passt!

    @Florian

    “Ohne unhöflich sein zu wollen: Möchtest du mal die restlichen Sternengeschichten (sternengeschichten.org) anhören? Da habe ich schon sehr viel über Himmelsmechanik, die Entstehung von Planeten, die Wechselwirkung von Monden, Ringen, etc erklärt… da findest du sicher ein paar interessante Informatione. (Und gebloggt habe ich darüber in den letzten 8 Jahren auch mehr als ausführlich).”

    Ein klitzekleiner Tipp, wo ich denn eine bessere Theorie finden könnte, wäre schon hilfreich. Denn Florians Gesamtwerk übersteigt inzwischen doch den Umfang manchen Klassikers.

    Gut, ich frage jetzt mal direkt: ist das nicht erwünscht, wenn hier neue Gedanken geäußert werden? Ich dachte, das sei Sinn und Zweck der Veranstaltung.

  5. #5 Florian Freistetter
    17. April 2015

    @Artur: “Ein klitzekleiner Tipp, wo ich denn eine bessere Theorie finden könnte”

    Eine bessere Theorie wozu? Es ist immer ein wenig schwierig, so über solche Privattheorien zu diskutieren. Wenn du hier ernsthaft den Status Quo kritisieren willst, müsstest du dich natürlich auch zuerst ausführlich damit beschäftigt haben. D.h. auch den fachlichen Stand der Forschung zur Kenntnis genommen und verstanden zu haben. Also nicht nur irgendwelche populärwissenschaflichen Darstellungen, sondern tatsächlich die Facharbeiten. Ohne dich sehr, sehr gründlich mit der Planetenentstehung beschäftigt zu haben, ist es kaum möglich, mal eben so aus dem Handgelenk eine neue “Theorie” aufzustellen. Deine “Theorie” muss mit ALLEN bisherigen Beobachtungen übereinstimmen – und die musst du erst mal überblicken…

  6. #6 Alderamin
    17. April 2015

    @Artur57

    . Für große Objekte liegt sie weiter innen, für kleine weiter außen.

    Umgekehrt.

    Die Saturnringe bestehen aus mikrometerfeinem Staub bis hin zu Objekten, die “einige Meter” groß sind. Also Größenordnungen, in denen der Roche-Effekt nicht die geringste Rolle spielt.

    Doch,
    – die Ringe sind wahrscheinlich durch die Roche-Grenze entstanden, als ein Mond dem Saturn zu nahe kam (eine neuere Theorie besagt, es habe dem Mond zuerst das Eis abgeschält, und das Gestein sei weiter innen zerbrochen und mittlerweile abgestürzt),
    – die Roche-Grenze verhindert, dass sich die kleinen Objekte im Ring zu einem größeren zusammenfügen können (da sind auch 10m-Brocken dabei, aber bis auf wenige kleine Schäfer-Monde nichts größeres)

    Deine These zum Asteroidengürtel habe ich gelesen. Denkbar ist das natürlich.

    Das ist nicht meine These, sondern das sagen Experten, die die Entstehung des Sonnensystems in Rechnern simuliert haben. Ich kann das nur wiedergeben. Zum Kritisieren fehlt mir die Kompetenz (da müsste ich mindestens eine alternative Simulation vorlegen).

  7. #7 Artur57
    17. April 2015

    “@Artur57

    . Für große Objekte liegt sie weiter innen, für kleine weiter außen.

    Umgekehrt.”

    Jetzt aber! Der Mond würde glatt zerrissen, wenn er auf einer der Satellitenbahnen kreisen würde. Eben weil er groß genug ist, damit die Differenz der Erdanziehung wirksam wird. Sagt auch die Formel im Moment des Auseinanderbrechens:

    d = r( 2 M / m)^1/3

    Es ist also d (Abstand der Himmelskörper) proportional zu r, dem Radius des Satelliten.

    Die Tatsache, dass sich so mikrofeine Partikel da halten können, liegt meiner Meinung nach an dem starken elektrischen Feld, das da herrscht. Die Partikel, da aus Eis, polarisieren sich und wenn sie sich auf derselben Bahn befinden, stoßen sie sich ab.

  8. #8 Alderamin
    17. April 2015

    @Artur57

    Ach Artur, das hatten wir doch schon. Wenn sie sich abstoßen, bleiben sie nicht in einer Ebene. Lass’ gut sein.

  9. #9 alex
    17. April 2015

    @Artur57:
    In der Formel ignorierst Du den starken Zusammenhang zwischen r und m.