Wieso rotieren Planeten: Ursachen, Gründe und Zusammenhänge
Im Universum drehen und rotieren alle größeren Körper. Der Drehimpuls ist eine Erhaltungskraft im Kosmos, der vermutlich aus dem Urknall entstand oder seit ihm vorhanden ist.
Inhalt
Drehungen und Rotationen sind im All allgegenwärtig
Überall im Kosmos finden wir Drehung, Rotation sowie Spiralbewegungen. Damit ist die Drehbewegung eine der Grundgrößen. Der eigentliche Beginn einer Drehung ist noch nicht bekannt. Die Forscher wissen lediglich, dass der Drehimpuls eine der Erhaltungskräfte im All ist: Er verschwindet als Kraft nicht – kann aber verschoben, verteilt oder abgegeben werden.
Unser Sonnensystem hat vermutlich mit einem solchen Drehimpuls begonnen. Derzeitigen Theorie zufolge entstehen Sterne aus Gas- und Staubwolken. Diese stehen zunächst fast bewegungslos im All. Aus irgendwelchen Gründen (Bewegungen im Kosmos), werden sie dann in Bewegung versetzt. Die Materie und Gaspartikel in der Wolke beginnen sich zu drehen. Dabei entstehen weitere Kräfte und immer mehr Materie wird angezogen.
Irgendwann sind der Drehimpuls so intensiv und die Verdichtung so groß, dass die Wolke beginnt, unter ihrer eigenen Kraft zusammenzufallen. Gleichzeitig heizen sich die Materie- und Gaspartikel in der Wolke auf. Durch eine Kettenreaktion bilden sich schließlich so immense Kräfte, dass es zur Geburt eines Sternes kommt.
Der Stern nimmt allerdings durch die Verdichtung nicht mehr die ganze Kraft des Drehimpulses für sich in Anspruch und gibt Teile davon ins Umfeld ab. Sterne gelten zwar als fix (Fixsterne), was bedeutet, dass sie sich im Zentrum des Systems befinden. Allerdings gibt es auch innerhalb der Sterne Dreh- und Rotationsbewegungen. Bei unserer Sonne unterscheidet man grob zwei Dreh- und Rotationsbewegungen: differenziale Sonnen-Rotation und der Kerndrehung.
Die differenziale Sonnen-Rotation
Bei der Sonne gibt es einige Besonderheiten bezüglich der Drehungen und Rotationen. In der Nähe des Äquators braucht sie etwa 25 Tage für eine Umdrehung um ihr Zentrum herum. An den Polen dreht sich die Sonne innerhalb von 36 Tagen um sich selbst. Der Grund dafür ist die Zusammensetzung der Sonne aus Gasen und Kernreaktionen sowie extrem starke Temperaturgefälle in den beobachtbaren Schichten. Durch die differentielle Rotation wird das Magnetfeld der Sonne alle elf Jahre einmal umgepolt.
Kerndrehung der Sonne
Die Drehung im Zentrum der Sonne ist die Kraft, aus der der Stern vermutlich entstand beziehungsweise der Rest davon. Zwischen der Drehungen des Kerns und den der äußeren Schichten gibt es direkte Zusammenhänge, sie sind gekoppelt. Unsere Sonne zählt innerhalb des bisher bekannten Alls (etwa 70 Trilliarden Sterne) übrigens zu den am langsamsten rotierenden Sternen.
Obwohl die Sonne ein Fixstern ist, bewegt auch sie sich durch die Weiten des Kosmos und innerhalb der Galaxie. Gemeinsam mit dem gesamten Planetensystem dreht sie sich etwa alle 220 Millionen Jahre einmal um das Zentrum der Milchstraße. Die ganze Galaxis bewegt sich mit 264 Kilometern pro Sekunde durchs Weltall. Dabei drehen sich die Spiralarme kontinuierlich um das Zentrum der Galaxie.
Die Geburt der Planeten
Bei der Entstehung der Sonne wurde ein Teil des Drehimpulses also wieder ins direkte Umfeld abgegeben. Nun ist es bei den meisten bisher im All beobachteten jungen Sternen und Sternensystemen so, dass nicht alle Anteile der Wolke zum Stern wurden. Es bleiben Partikel und Gase übrig, die sich scheibenförmig um den Stern herum anordnen und sich um das Zentrum (den Stern) drehen.
Schätzungen zufolge hat die Sonne nach ihrer Verdichtung zum Stern 99 Prozent ihres Drehimpulses an die Umgebung abgegeben. Nur ein kleiner Teil dieser Kraft sorgt für die Drehung der Staubscheibe um das neue Zentrum herum. Andere Teile des Drehimpulses sorgten sehr wahrscheinlich für weitere Verdichtungen innerhalb der Staub- und Gasscheibe: Die Planeten entstanden.
Da der Drehimpuls als konstante Größe nicht weggeht oder kleiner wird, bleibt er auch innerhalb der Planeten erhalten. Es kommt zu einer Eigenrotation der Himmelskörper. Durch diese Verteilung der Drehkräfte im Sonnensystem drehen sich Planeten um die Sonne und um sich selbst (ihre eigene Achse).
Der Unterschied zwischen Drehung und Rotation
In der Fachsprache unterscheidet man zwischen Drehung und Rotation: Planeten drehen sich um die Sonne, d.h. sie laufen in einer Umlaufbahn um sie herum und sie rotieren um ihre eigene Achse. Der Fachbegriff für diese Drehung um eine interne Achse ist Rotation. Bei der Drehung folgt die Bewegung einer äußeren (externen) Achse.
Ein glücklicher Nebeneffekt der Planetenrotation
Man kann die Drehung der Planeten um sich selbst als Zufall abtun. Neben der rein physikalischen Logik der Drehung ergibt sich aus dem Umstand aber noch ein ganz anderer Sinn:
Gäbe es die Eigendrehung der Planeten nicht, würden sie der Sonne immer dieselbe Seite zuwenden. Dann bliebe eine Seite kalt und dunkel und die andere würde sich aufheizen und wäre immer hell.
Tatsächlich ist der Mond ein Himmelskörper im System, der der uns immer dieselbe Seite zeigt. Trotzdem dreht auch er sich um die Sonne, rotiert um sich selbst und dreht sich um die Erde.
Für die Drehung um seine eigene Achse und die Drehung um die Erde benötigt er gleich lang: 27 Tage und 7 Stunden. Dass wir immer nur eine Seite des Mondes sehen, ist also ein optischer Wahrnehmungseffekt.
Der Urknall: Ursprung aller Drehimpulse
Wissenschaftler wissen, dass es den Drehimpuls als Erhaltungsgröße im All gibt, da er an vielen Stellen beobachtbar und messbar ist. Der Ursprung dieser Kraft ist allerdings noch ein Geheimnis. Glaubt man der Urknall-Theorie, so könnte dieser Knall die Mutter aller Drehimpulse gewesen sein. Heute ist die einst in einem Punkt konzentrierte Urkraft in Milliarden einzelne und verschieden starke Drehimpulse unterteilt. Im All sind bisher vier große Grund-Kräfte gefunden worden:
- Gravitation
- Elektromagnetismus
- schwache Wechselwirkung (Kernkraft)
- starke Wechselwirkung (Kernkraft).
Durch diese Kräfte gibt es Anziehung und Abstoßung im Universum. Man könnte auch sagen, dass es im All wie in einer Menschenmenge zu ständigem Anschubsen, Abbremsen, Anziehen und Wegdrücken kommt. Dabei entstehen Drehmomente: Sie werden weitergegeben, verschoben und sie können sich zeitweise lokal addieren und dann wieder abnehmen.
Auch wenn es im All sehr große Abstände und Räume mit Nichts gibt, so gibt es doch auch sehr viele Bewegungen. Gelegentlich kommt es zu Berührungen von Himmelskörpern, Galaxien und Sonnensystemen. Dann geraten Kräfte kurzzeitig in enorme Bewegung, Chaos entsteht bis sich die Kräfte neu ordnen und stabilisieren.
In unserem Sonnensystem ging es zu seinen Anfangszeiten wahrscheinlich sehr dicht gedrängt einher. Die Planeten liefen noch nicht auf stabilen Bahnen und rotierten auch noch nicht stabil um sich selbst.
Sie stießen zusammen, wodurch zwei Planeten zu einem verschmelzen können oder Teile von einem Planeten abgesprengt werden. In diesen Momenten kommt es zu weiteren Verschiebungen der Drehimpulse. Auf diese Weise ist sehr wahrscheinlich unser Mond entstanden.
Das Dreh- und Rotationsverhalten der Objekte in unserem Sonnensystem
Fast alle Himmelskörper in unserem Sonnensystem drehen sich um die Sonne. Dabei hat sich eine Ordnung gebildet, bei der es, seitdem wir das All beobachten können, zu keinen Zusammenstößen mehr kam.
Gelegentlich gibt es Objekte, die auf recht schrägen Bahnen laufen und daher eine Gefahr für Planeten werden können. Solche Asteroiden oder Kometen kommen aber eher selten vor. Etwas häufiger sind kleine Gesteinsbrocken, die durchs System flitzen und dann als Meteorit auf die Erde gelangen (auch als Sternschnuppen zu sehen).
Astronomen und Physiker unterteilen die Körper in unserem System in drei Kategorien.
- 1. Kategorie: In diese Kategorie gehören die acht Planeten, die das Sonnensystem bilden: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Pluto ist seit 2006 offiziell kein Planet mehr.
- 2. Kategorie: Die sogenannten Zwergplaneten, zu denen jetzt auch Pluto gehört, haben eine Kugelform und umkreisen die Sonne auf stabilen Bahnen. Neben Pluto gehörten Ceres, Haumea, Makemake und Eris zu den Zwergplaneten. Auch die Winzlinge unter den Planeten rotieren um ihre eigene Achse.
- 3. Kategorie: Das sind die Nebenkörper des Sonnensystems: Asteroiden, Objekte des Kuipergürtels, Gesteinsbrocken, Meteoriten und Kometen.
Diese Art von Himmelsobjekt ist nicht immer rund, oft sogar ziemlich deformiert (kartoffelförmig). Sie drehen sich zwar auch um die Sonne und um sich selbst, doch dies geschieht nicht immer auf stabilen Bahnen und nach festen Größen: Sie „eiern“ und rotieren schräg durch das Sonnensystem.
Die Monde bilden eine ganz eigene Kategorie. Wie sie entstanden sind, ist noch ein Geheimnis. Sie begleiten Planeten und sind fest an dessen Magnetfeld gebunden. Dabei besitzen sie aber auch so viel Kraft, dass sie sich um die Sonne und um sich selbst drehen.
Die Drehbewegungen der acht Planeten
Wie schnell sich Planeten bewegen, hängt von deren Masse, Dichte, Größe und vom Abstand von der Sonne ab. Obwohl die Größen heute bekannt sind, konnten Forscher dabei keine Symmetrie finden. Das liegt vor allem daran, dass alle Planeten völlig unterschiedlich sind.
Es fällt lediglich auf, dass die weiter von der Sonne entfernen Objekte langsamer unterwegs sind, als die nahen. Die meisten Objekte in unserem Sonnensystem sich gegen den Uhrzeigersinn, was dem Anfangs-Drehimpuls in der Gas- und Staubwolke entsprach, aus der unser Sonnensystem hervorgegangen ist. Nur zwei reißen hier aus: Venus und Uranus drehen sich im Uhrzeigersinn.
Venus läuft optisch zwar auch im Uhrzeigersinn, bei ihr sind die Pole aber verschoben: Die Venus steht kopf und bewegt sich damit eigentlich mit dem Uhrzeigersinn. Bei Uranus ist das Phänomen auf die Neigung der Achse zurückzuführen. Sie ist so stark gekippt, dass sie waagrecht steht. Bei beiden Planeten kam der Effekt vermutlich durch schwere Zusammenstöße mit anderen Himmelskörpern zustande.
Merkur:
- Durchmesser: 4879 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 57,9 Millionen Kilometer
- Masse: 0,055 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 88 Erdtage
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 47,8725
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 58,6
Venus
- Durchmesser: 12,104 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 108,2 Millionen Kilometer
- Masse: 0,815 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 225 Erdtage
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 35,0214
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 243,0
Erde
- Durchmesser: 12.756 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 149,6 Millionen Kilometer
- Masse: 1 Erdmasse
- Umlaufzeit (um die Sonne): 365 Erdtage
- Geschwindigkeit km/s Orbitalgeschwindigkeit: 29,7859
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 1
Mars
- Durchmesser: 6794 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 227,9 Millionen Kilometer
- Masse: 0,107 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 687 Erdtage
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 24,1309
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 1,03
Jupiter
- Durchmesser: 142,984 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 779 Millionen Kilometer
- Masse:317,8 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 11,9 Erdjahre
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 13,0697
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 0,41
Saturn
- Durchmesser: 120,536 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 1433 Millionen Kilometer
- Masse: 95,2 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 29,5 Erdjahre
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 9,6724
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 0,44
Uranus
- Durchmesser: 51.118 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 2871 Millionen Kilometer
- Masse: 14,5 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 83,8 Erdjahre
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 6,8352
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 0,71
Neptun
- Durchmesser: 49,528 Kilometer
- Entfernung von der Sonne: 4495 Millionen Kilometer
- Masse: 17,1 Erdmassen
- Umlaufzeit um die Sonne: 163,8 Erdjahre
- Geschwindigkeit km/s (Orbitalgeschwindigkeit): 5,4778
- Drehung um die eigene Achse in Erdtagen: 0,67
Asteroiden als kosmische Geisterfahrer
Auch oder gerade in unserem Sonnensystem lautet die Devise: Ausnahmen bestätigen die Regel.
Am schrägsten kommen dabei die Asteroiden daher. Unter diesen Himmelserscheinungen finden sich die meisten kosmischen Geisterfahrer.
Besonders auffällig ist dabei ein Asteroid namens BZ509. Schätzungsweise ist er seit einer Million Jahren in der Nähe des Jupiters „auf der Gegenfahrbahn“ unterwegs. Dennoch gilt der Körper als einigermaßen stabil und wenig gefährlich. Vermutlich ist er in unser System eingewandert und dreht sich deswegen nicht in dieselbe Richtung wie der überwiegende Rest.
Zusammenfassung
- Die Drehbewegung oder der Drehimpuls ist eine der Erhaltungskräfte im Universum.
- Rechnerisch wird sie in ihrer Gesamtheit nicht größer, sie verlagert sich nur.
- Drehimpulse gelten als die Auslöser zur Bildung neuer Sterne.
- Sterne entstehen aus stehenden Staub- und Gaswolken, die durch ein kosmisches Ereignis in Bewegung versetzt werden.
- Zunächst komprimiert der entstehende Stern alle Kräfte. Hat er seine Form angenommen, gibt er einen Großteil des Drehimpulses an seine Umgebung ab.
- Aus Resten der Gas- und Staubwolke haben sich so die Planeten geformt: Durch eine Neuverteilung des Drehimpulses kommt es zur Verdichtung von Materie, zur Kugelform und zur Eigenrotation der Planeten.
- Neben Planeten drehen sich in unserem Sonnensystem zahlreiche weitere Objekte wie Zwergplaneten, Monde, Asteroiden, Kometen, Gesteinsbrocken und Staub sowie Gasansammlungen um die Sonne und um sich selbst.
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