Aufruhr im Sonnensystem - wissenschaft.de
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Aufruhr im Sonnensystem

Ist das Kreisen der Planeten wirklich ewiglich? Seit über vier Milliarden Jahren ziehen die Planeten Ihre Bahnen um die Sonne. Wie ein Uhrwerk schnurrt die himmlische Maschinerie verläßlich und unvergänglich. Doch der Schein trügt: Das Planetensystem drohte schon häufig ins Chaos abzurutschen.

Bis 1983 war es niemandem gelungen, die Bewegungen der Planeten über mehr als fünf Millionen Jahre weit in die Zukunft zu berechnen. Die Planeten zerren sich gegenseitig ständig mit ihrer Schwerkraft aus der geometrisch vorgeschriebenen Bahn. Bedrohen solche Störungen vielleicht gar die Stabilität des ganzen Systems?

Von diesem komplizierten Problem fasziniert, machten sich Jack Wisdom und Gerald Jay Sussman in den achtziger Jahren am Massachusetts Institute of Technology intensiv an die Untersuchung von Planetenbahnen. Mit einem extra hierfür gebauten Spezialrechner waren die beiden Theoretiker erstmals in der Lage, mehrere hundert Millionen Jahre weit vorzustoßen.

Fünf Monate brauchte der Computer damals schon, um die Bahnen der fünf äußeren Planeten über 845 Millionen Jahre hinweg zu berechnen. Die vier großen Planeten zeigten dabei keine ungewöhnlichen Schwankungen der Bahnform. Lediglich bei Pluto stießen die Forscher auf ein chaotisches Verhalten. Was aber bedeutet chaotisch in diesem Zusammenhang eigentlich?

Plaziert man einen Planeten an einer beliebigen Position auf seiner Bahn und läßt ihn loslaufen, so wird man ihn am Ende der Rechnung nach vielen Umläufen an einem anderen Ort wiederfinden. Wiederholt man die Rechnung, indem man den Startpunkt nur ganz geringfügig verschiebt, wird man den Planeten am Schluß fast an derselben Stelle wiederfinden wie beim ersten Lauf – sofern er sich nicht chaotisch verhält.

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Bei einer chaotischen Bewegung wirken die anderen Planeten auf den Körper so stark ein, daß dieser sich beim zweiten Rechenlauf nach einer bestimmten Zeit sehr weit von den Positionen des ersten entfernt. Eine kleine Änderung in der Anfangsbedingung hat eine drastische Änderung der Endstellung zur Folge. Da die Astronomen aber die Positionen aller Planeten zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht auf den Meter genau kennen, bedeutet dies, daß die Bewegung eines chaotischen Planeten nach einer bestimmten Zeit nicht mehr vorhersagbar ist.

Sussman und Wisdom stellten nun fest, daß Pluto schon nach 20 Millionen Jahren unberechenbar wird – ein erster Hinweis auf ein chaotisches Verhalten bei den großen Planeten. Bald zeigte sich, daß auch die inneren Planeten chaotisch um die Sonne laufen. Schon nach fünf Millionen Jahren läßt sich ihre Position nicht mehr vorhersagen.

Vor knapp drei Jahren veröffentlichte der französische Wissenschaftler Jacques Laskar eine überraschende Arbeit mit dem Titel: „Großräumiges Chaos im Planetensystem“. Es war ihm gelungen, die Bahnen aller Planeten (außer derjenigen Plutos) über einen Zeitraum von insgesamt 25 Milliarden Jahren zu berechnen. Das ist gut fünfmal länger als das bisherige Alter des Planetensystems. Da ja schon nach fünf Millionen Jahren jede Vorhersagbarkeit verlorengeht, konzentrierte Laskar sich nicht darauf, die Positionen aller Körper Schritt für Schritt zu ermitteln, sondern studierte mit einem abgewandelten Rechenverfahren das langfristige Verhalten der Bahnformen.

Wieder erwiesen sich die Bahnen der großen äußeren Planeten von Jupiter bis Neptun als äußerst stabil. Die der inneren schwankten jedoch ganz gehörig in der Neigung der Bahnebene. Insbesondere Mars und Merkur verhielten sich chaotisch. Beim Mars kann sich demnach die Bahnebene gegenüber der Ekliptik – der Ebene der Erdbahn um die Sonne – um bis zu zehn Grad neigen. Heute beträgt der Wert knapp zwei Grad. Beim Merkur kann sich die Bahnebene gar bis zu 20 Grad gegen die Ekliptik neigen.

Noch drastischer sind die Einwirkungen der Schwerkraftfelder von Sonne und Planeten auf die Bahnform. Während die meisten Planetenbahnen nahezu kreisförmig sind, läuft Merkur auf einer stärker elliptischen Bahn. Nur Plutos Orbit ist noch langgestreckter. Laskar fand nun heraus, daß es sogenannte chaotische Zonen gibt: Gerät ein Planet dort hinein, schaukeln sich die äußeren Störungen durch Resonanzeffekte stark auf.

Beim Merkur kann dies soweit führen, daß seine Bahn extrem elliptisch wird und kurzzeitig sogar diejenige der Venus schneiden kann. Dieser bedrohliche Zustand dauert einige tausend Jahre an, bis sich die Merkurbahn wieder der Kreisform annähert – ähnlich wie heute, wo die beiden sich bei „Engstellung“ höchstens bis auf 0,25 Astronomische Einheiten, also ein Viertel der Erdentfernung von der Sonne, annähern. Kommt es aber in dieser Zeitspanne zu einer nahen Begegnung der beiden Planeten, kann Merkur aus dem Sonnensystem herausgeschleudert werden – oder die beiden Körper stoßen gar zusammen. Wann das sein wird, darüber sagen die Rechnungen nichts, vielleicht morgen, vielleicht in fünf Milliarden Jahren.

Abgesehen von dem Fall Merkurs deuten Laskars Rechnungen darauf hin, daß das Planetensystem irgendwann instabil werden könnte, obwohl alle inneren Planeten und Pluto ein chaotisches Verhalten aufweisen. Chaos sagt eben nur etwas über die Grenzen der Vorhersagbarkeit aus, nichts jedoch über die Stabilität des Sonnensystems an sich.

Das scheint die jüngste Chaosforschung jedoch zu widerlegen. Sie hat sich dieser jahrhundertealten Frage von einer anderen Seite genähert und scheint kurioserweise gerade die Stabilität zu bestätigen.

Blenden wir rund 200 Jahre zurück. Damals fiel dem deutschen Astronomen Johann Elert Bode auf, daß die Abstände der Planeten von der Sonne erstaunlich genau einer einfachen Zahlenreihe folgen, die der Mathematiker Johann Daniel Titius aufgestellt hat: Nimmt man die Folge der Zahlen 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32 …, multipliziert sie mit 0,3 und addiert jeweils 0,4 hinzu, so erhält man die Folge 0,4, 0,7, 1,0, 1,6, 2,8, 5,2 und 10,0. Die Zahlen dieser sogenannten Titius-Bode-Reihe entsprechen ziemlich genau den Entfernungen der damals bekannten Planeten bis zum Saturn. Man mußte sie nur in Astronomischen Einheiten angeben, wobei eine Astronomische Einheit die mittlere Entfernung Erde-Sonne ist, also rund 150 Millionen Kilometer.

Seither fragen sich die Forscher, was es mit dieser eigenartigen Zahlenmystik im Planetensystem auf sich hat. Heute scheint die Lösung gefunden: Die Auslese durch das Chaos führte bei der Entstehung des Sonnensystems zu dieser Harmonie.

Die Astronomen gehen davon aus, daß sich der größte Planet, also Jupiter, als erster aus der ursprünglichen „protoplanetaren“ Staubwolke gebildet hat. Wo dies passierte, war wohl Zufall. Von da an aber bestimmte er die weitere Entwicklung des Planetensystems. Denn sobald er zu einer bestimmten Größe angewachsen war, störte er andere Brocken auf Bahnen, die mit seiner in Resonanz standen. Ähnlich wie er in den Asteroidengürtel die Kirkwood-Lücken hineinfräste, fegten er und später auch die weiteren Planeten bestimmte Bereiche in der Staubscheibe leer und sammelten die Steine selber ein.

Nur in den stabilen Zonen konnten die Planeten zur heutigen Größe heranwachsen, während sich in den chaotischen Resonanzbereichen die Materie auf Dauer nicht halten konnte.

Auf diese Weise, so meinen mittlerweile einige Planetenforscher, könnte sich die Titius-Bode-Reihe eingestellt haben. Damit wäre auch klar, warum das Planetensystem trotz der „zahlreichen [Kräfte] von veränderlicher Lage und Intensität“ bis heute so erstaunlich stabil geblieben ist: Die Planeten konnten sich von vornherein nur auf stabilen Bahnen bilden. Der letzte Beweis dafür, daß dieses chaotische Ausleseprinzip zur Titius-Bode-Reihe führte, steht allerdings noch aus, da es noch nicht möglich ist, die Entstehung mehrerer Planeten im Computer mit ausreichender Genauigkeit zu simulieren.

Wenn die Bahnen der inneren Planeten tatsächlich so stark schwankten, wie Laskars Studien vermuten lassen, so hätte dies sicher einen wesentlichen Einfluß auf die Klimaentwicklungen gehabt. Geradezu dramatisch müßte sich aber ein anderer Effekt ausgewirkt haben. Laskar fand nämlich heraus, daß auch die Rotationsachsen der inneren Planeten – vom Merkur bis zum Mars – unvorhersehbar kippen konnten (vergleiche „Chaos im Planetensystem“, bild der wissenschaft 7/1993).

Die Rotationsachsen können in der Vergangenheit in einen chaotischen Bereich hineingedreht sein, wo sie zunächst umkippten und sich nach einiger Zeit wieder aufrichteten. Merkur und Venus haben sich in der Vergangenheit möglicherweise vollständig „auf die Seite“ gelegt, so daß sie förmlich auf ihrer Bahn entlangrollten, so wie es heute bei Uranus der Fall ist. In diesen Epochen wären nahezu alle Bereiche auf dem Planeten einmal pro Jahr in Positionen gelangt, wo Tage und Nächte jeweils mehrere Monate dauerten.

Die Rotationsachse des Mars könnte sich, so Laskars Rechnungen, immerhin um 60 Grad geneigt und später wieder bis auf ihren heutigen Wert aufgerichtet haben.

Allein die Erde scheint sich in der Vergangenheit ohne große Störungen gedreht zu haben. Die Schräglage ihrer Achse mit 23,3 Grad scheint recht stabil zu sein, sehr wahrscheinlich hat es hiervon kaum größere Abweichungen als 1,3 Grad gegeben. Ursache für diese vielleicht überlebenswichtige Gleichförmigkeit der Umweltbedingungen ist der Mond. Durch seine verhältnismäßig große Masse stabilisiert er bei seinem Umlauf um die Erde deren Rotationsachse. Ohne unseren Trabanten – so fand der französische Theoretiker heraus – könnte auch die Erdachse um bis zu 80 Grad schwanken, was eine Katastrophe für das Klima bedeuten würde.

Die Chaosforschung gibt nicht nur neue Antworten auf die alte Frage nach der Beständigkeit unseres Planetensystems. Sie läßt auch die Frage nach bewohnten Planeten um andere Sterne in einem neuen Licht erscheinen: Die Wahrscheinlichkeit hierfür würde sinken, wenn ein Planet einen großen Mond zur Stabilisierung der Rotationsachse und somit des Klimas benötigt.

Wechselbäder

Im vergangenen August haute der Chef der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA, Daniel Goldin, kräftig auf die Pauke: Forscher des Johnson Space Center der NASA in Houston/ Texas hätten in einem Mars-Meteoriten versteinerte Spuren von etwas gefunden, was „einigen Formen fossiler, fadenförmiger Bakterien ähnele“, meinte er – und die Welt horchte auf.

Wie um die Hoffnungen auf außerirdisches Leben nicht zu hoch schnellen zu lassen, fügte er hinzu, dies hätte nichts mit den berühmten kleinen grünen Männchen zu tun, die in der Science-fiction-Literatur immer wieder mit dem Mars in Verbindung gebracht werden.

Daß dennoch die Farbe Grün bei Goldins Ankündigung eine Rolle gespielt haben könnte, wurde zumindest vermutet – wegen der sogenannten „Greenbacks“ (amerikanischer Slang für „Dollar“).

Denn auch der NASA wird in letzter Zeit der Geldhahn kräftig zugedreht. Da käme eine neue Mars-Begeisterung in der Öffentlichkeit der Weltraumbehörde sicher nicht ungelegen und die „Entdeckung“ sei zu diesem Zweck inszeniert worden, spekulierten einige Beobachter der Raumfahrtszene.

Doch inzwischen ist derartigen Vermutungen mehr und mehr die Grundlage entzogen worden. Denn eine ganze Reihe von seriösen Wissenschaftlern hat sich mittlerweile den Einlassungen der NASA angeschlossen und hält versteinerte Lebensspuren in einem Mars-Meteoriten zumindest für möglich.

Der NASA aber hat der Mars-Fund keine finanzielle Erleichterung gebracht – im Gegenteil, sie muß jetzt sogar den Betrieb ihres Weltraum-Zentrums auf Cape Canaveral in private Hände legen, weil dies ganz erheblich kostengünstiger ist, als wenn sie es selbst weiter betreiben würde.

Das war vor 35 Jahren noch anders, als Präsident John F. Kennedy im Mai 1961 die bemannte Mondlandung zum nationalen Ziel der Vereinigten Staaten erklärte. Als die riesigen, über 100 Meter hohen Mondraketen und die dazugehörigen Mondlandefahrzeuge gebaut wurden, erreichte das Budget der Luft- und Raumfahrtbehörde zwischen 1964 und 1967 – auf den heutigen Währungsstand umgerechnet – jährlich Summen zwischen 20 und 23 Milliarden Mark.

Das sind Beträge, von denen die NASA heute nur träumen kann. Doch noch bevor Neil Armstrong am 19. Juli 1969 als erster Mensch den Mond betrat, war das NASA-Budget schon wieder um 25 Prozent gefallen. Mit dem schwindenden Geldsegen zeigte sich recht deutlich, daß die Politik für den NASA-Haushalt eine viel wichtigere Rolle spielt als rein wissenschaftliche Belange.

Etwas mehr Geld gab es für die NASA wieder Ende der siebziger und in den achtziger Jahren für Entwicklung und Bau von insgesamt vier Raumtransportern (Space Shuttle) – ursprünglich waren fünf geplant.

Die Explosion der Raumfähre „Challenger“ im Januar 1986 mit sieben Menschen an Bord brachte der NASA allerdings einen schweren Rückschlag und ganz erheblichen Prestigeverlust – aber paradoxerweise auch mehr Geld: 1987 stieg das NASA Budget gegenüber dem Vorjahr um 1,7 Milliarden Dollar auf knapp 10 Milliarden Dollar an – die verlorene Raumfähre war zu ersetzen.

1990 schlug ein offizielles Beratungsgremium zwar vor, das NASA-Budget solle kontinuierlich jährlich um reale 10 Prozent angehoben werden. Wäre man dem gefolgt, hätte der Haushalt im Jahre 2000 immerhin 30 Milliarden Dollar erreicht. Tatsächlich aber war bei 14 Milliarden Dollar bereits Schluß.

Gegenwärtig schrumpft der Weltraumfahrt-Haushalt wieder. Bis zum Jahr 1999 soll das NASA-Budget auf etwa 12 Milliarden Dollar zurückgeschraubt werden.

Spuren von Mars-Leben aber wird die Weltraumbehörde trotz allem mit Sicherheit weiter nachjagen. Inzwischen bekommt sie dabei sogar Konkurrenz: Wissenschaftler der „Open University“ in London glauben, in einem anderen Mars-Meteoriten ebenfalls Lebensspuren entdeckt zu haben.

Thomas Bührke; Anatol Johansen

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