Neptun: Noch ein blauer Planet

Neptun: Noch ein blauer Planet

 

Der überwiegend aus Gas bestehende Planet Neptun ist der — von der Sonne aus gesehen — achte Planet des Sonnensystems und der äußerste und kleinste der vier Gasriesen. Von der Erde kann Neptun mit bloßem Auge nicht ausgemacht werden (zu seiner Beobachtung genügt allerdings schon ein kleiner Feldstecher), er konnte demzufolge erst nach der Entdeckung des Fernrohrs entdeckt werden. Es scheint, als ob schon Galileo Galilei Neptun beobachtet hätte, ohne jedoch seine planetare Natur zu erkennen. Neptun wurde daher erst 1846 (wieder) entdeckt, nachdem seine Position aus Störungen der Uranusbahn vorhergesagt worden war.

 

Der Besuch der Raumsonde Voyager 2 im August 1989 brachte eine Fülle von detaillierten Bildern und neuen Erkenntnissen, so konnten viele Übereinstimmungen mit den beiden großen Gasplaneten Jupiter und Saturn sowie seinem direkten Nachbarn und Verwandten, dem Uranus, nachgewiesen werden. Er besitzt eine innere Energiequelle, die ihn mehr Energie abstrahlen lässt, als er von der Sonne empfängt. Wie die anderen Gasriesen hat auch Neptun ein planetares Ringsystem, das allerdings lange nicht so spektakulär wie die Ringe des Saturns ausfällt. Eine Besonderheit ist das stark geneigte Magnetfeld des Planeten, dessen Mittelpunkt nicht mit der Mitte des Planeten zusammenfällt. Hier bleiben jedoch viele Fragen offen, die in absehbarer Zukunft durch keine neue Raumsonde beantwortet werden können — denn die Reise zum fernen Neptun dauert mehr als zehn Jahre, und bisher sind neue Missionen nicht einmal geplant.

 

 Einführung

 

Neptun ist wie Uranus ein kleiner Gasriese, also ein Planet, der etwa viermal größer ist als die Erde (jedoch knapp dreimal kleiner als Jupiter) und überwiegend aus Gas besteht, während die sonnennahen inneren Planeten im Wesentlichen aus Gestein aufgebaut sind. Neptuns Dichte von 1,64 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) liegt noch etwas oberhalb derjenigen von Uranus (1,27 g/cm³) und auch derjenigen der beiden großen Gasriesen Jupiter und Saturn (1,33 bzw. 0,71 g/cm³; im Gegensatz dazu beträgt die mittlere Dichte der Erde 5,51 g/cm³).

 

Wegen seiner großen Entfernung erschien Neptun lange Zeit in erdgebundenen Teleskopen nur als ein kleines bläuliches Scheibchen, auf dem nur wenige Strukturen zu erkennen waren. Es war außer seinen Bahndaten kaum mehr über ihn bekannt, als dass seine Atmosphäre überwiegend aus Wasserstoff und Helium besteht und dass ihn mindestens zwei Monde begleiten.

 

Dies änderte sich, als 1989 die Raumsonde Voyager 2 an Neptun vorbeizog und zahlreiche Bilder und Messdaten zur Erde funkte. Seit 1993 kann man den Planeten mithilfe des Weltraumteleskops Hubble beobachten und Details seiner Atmosphäre untersuchen. Kürzlich veröffentlichte Aufnahmen der modernsten erdgebundenen Teleskope zeigen, dass mittlerweile auch mit diesen Instrumenten Aufnahmen möglich sind, deren Qualität und Aussagekraft an die der Voyager-Aufnahmen heranreichen.

 

 Entdeckerstreit

 

Obwohl Aufzeichnungen von Galileo Galilei (1564—1642) belegen, dass er im Dezember 1612 ein bewegliches Objekt an einer Stelle beobachtet hat, die mit Neptuns Position zu diesem Zeitpunkt übereinstimmte, erkannte dieser große Wissenschaftler die Bedeutung seiner Entdeckung nicht — Neptun blieb unerkannt in der Dunkelheit des Sonnensystems.

 

Erst als Friedrich Wilhelm Herschel (1738—1822) am 13. 3. 1781 den Planeten Uranus entdeckte, ergab sich die Gelegenheit, Neptun auf die Schliche zu kommen: Dessen Anziehungskraft verursacht nämlich kleine Abweichungen von der vorausberechneten Umlaufbahn des Uranus am Himmel, welche in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts von dem britischen Astronomen John Couch Adams (1819—1892) und — unabhängig davon — von seinem französischen Kollegen Urbain Le Verrier untersucht wurden. Sie kamen beide zu dem Schluss, dass ein noch unbekannter Planet jenseits der Uranusbahn für diese Störungen verantwortlich sein musste.

 

Der damals noch wenig bekannte Adams legte seine Berechnungen und Schlussfolgerungen George Bidell Airy (1801—1892) vor, einem der damals führenden Astronomen Englands, welcher sie jedoch nicht ernst nahm und schlicht vergaß. Etwas später als Adams übersandte Le Verrier seine Berechnungen an seinen deutschen Kollegen Johann Gottfried Galle (1812—1910), der Neptun daraufhin zusammen mit seinem Assistenten Heinrich Louis d«Arrest (1822—1875) am 23. 9. 1846 nur wenig neben der vorhergesagten Position entdeckte.

 

Erst nachdem diese Entdeckung veröffentlicht worden war, erinnerte sich Airy an Adams« Arbeit und veröffentlichte sie, wobei er gleichzeitig die Entdeckung für die britische Astronomie beanspruchte. Da in der Astronomie mit der Entdeckung eines Himmelskörpers auch das Recht verbunden ist, einen Namen für den Körper vorzuschlagen, hatte Le Verrier den neuen Planeten nach sich selbst benannt. Dies rief einen längeren Disput hervor, der mittels Korrespondenz und mit Veröffentlichungen in den damaligen Fachzeitschriften geführt wurde; vor allem die britischen Astronomen widersprachen dieser Namensgebung. Schließlich konnten sich die Astronomen darauf einigen, sowohl Adams als auch Le Verrier das Entdeckungsrecht zuzusprechen. Neptun erhielt seinen heutigen Namen, der in Übereinstimmung mit der Benennung der übrigen Planeten einem römischen Gott entlehnt ist — Neptun (oder griechisch Poseidon) war der Gott des Meeres, der Erdbeben und der Pferde.

 

 Der Planet Neptun

 

Neptun ist im Mittel etwa 4,5 Milliarden Kilometer (30 Erdbahnradien) von der Sonne entfernt und umkreist unser Zentralgestirn in etwa 165,5 Jahren auf einer beinahe kreisförmigen Bahn, die nur um etwa zwei Grad gegen die Bahnebene der Erde geneigt ist. Fast 150 Jahre lang blieb Neptun nicht viel mehr als ein blasses Scheibchen auf astronomischen Aufnahmen, auf denen bestenfalls einige schwache Helligkeitsunterschiede erkennbar waren. Spektroskopische Messungen vom Erdboden, bei denen das Licht in einzelne Wellenlängen aufgespalten wird, deuteten an, dass seine Atmosphäre Wasserstoff und Helium enthält und in etwa 18 Stunden um die Planetenachse rotiert, doch sagt dies noch nichts über die Rotation des Planeten selbst aus.

 

Erst die 1977 gestartete Raumsonde Voyager 2 änderte drastisch dieses magere Bild vom Planeten Neptun. Sie zog am 24. 8. 1989 in einer Minimalentfernung von nur knapp 5 000 Kilometern an ihm vorbei und enthüllte dann schlagartig nicht nur Details der Atmosphäre von Neptun, wie etwa einen gigantischen Wirbelsturm, sondern konnte sein äußerst ungewöhnliches Magnetfeld vermessen. Darüber hinaus bestätigte die Sonde die nur kurz zuvor vom Erdboden aus entdeckten Neptunringe. Schließlich fügte die Sonde den zwei bekannten Neptunmonden sechs weitere hinzu, bevor sie sich daranmachte, das Sonnensystem zu verlassen — Neptun war nach Jupiter, Saturn und Uranus der vierte und letzte Planet, den sie besuchte.

 

Atmosphäre

 

Durch die Messungen von Voyager 2 wurde bestätigt, dass die Atmosphäre des Neptun zu über 80 % molekularen Wasserstoff enthält. Etwa 10—15 % bestehen aus Helium und ein geringer Prozentsatz entfällt auf Methan, dass jedoch dennoch das für Aussehen und Dynamik der Atmosphäre wichtigste Gas darstellt. Daneben sind noch Spuren anderer Kohlenwasserstoffe sowie von Ammoniak vorhanden. Methan verleiht dem Neptun auch seine blaue Farbe, da dieses Molekül den roten Farbanteil des Sonnenlichts absorbiert. Während sein »größerer Bruder« Uranus eher grünblau schimmert, ist Neptun damit neben der Erde der zweite »Blaue Planet« des Sonnensystems.

 

Durch Voyager 2 wurden mehrere Details in der Atmosphäre entdeckt, die sich bis dahin der Beobachtung entzogen hatten. So entdeckte man in mittleren Breiten den Großen Dunklen Fleck, ein Pendant zum Großen Roten Fleck auf Jupiter. Es handelt sich um einen gigantischen Wirbelsturm, an dessen Peripherie Windgeschwindigkeiten von bis zu 2 000 Stundenkilometern gemessen wurden. Im Gegensatz zu Jupiters Wirbelsturm ist der Fleck auf Neptun aber eher kurzlebig. Bereits wenige Jahre nach seiner Entdeckung war er mit dem Weltraumteleskop Hubble nicht mehr nachweisbar. Neuere Bilder des Planeten zeigen dagegen wieder eine vergleichbare Struktur. Außer diesem Wirbelsturm wurden zwei kleinere Flecken beobachtet, mit denen Variationen in der Rotation der Wolkenschicht nachgewiesen werden konnten.

 

Die Methanmaschine

 

Hohe dünne Wolkenschleier, die einen Schatten auf die etwa 50 Kilometer tiefer liegenden dichteren Wolkenschichten warfen, zeigten, dass die Neptunatmosphäre eine ausgeprägte Dynamik besitzt, die von einer »Methanmaschine« angetrieben wird: In der oberen Atmosphäre wird nämlich das Methan von der Ultraviolettstrahlung der Sonne zersetzt, wobei sich andere Kohlenwasserstoffe wie Äthan und Acetylen bilden. Diese Substanzen sinken in tiefere Schichten, wo sie aufgrund der dort herrschenden niedrigen Drücke und Temperaturen zu kleinen Kristallen gefrieren. Diese sinken weiter in die Tiefe, bis sie in wärmere und dichtere Schichten geraten und verdunsten. Dort entsteht aus ihnen durch chemische Reaktionen mit Wasserstoff und anderen Gasen wieder Methan, das durch turbulente vertikale Transportprozesse — die mit Vorgängen in irdischen Gewitterwolken vergleichbar sind — wieder in die obersten Atmosphärenschichten gelangt.

 

Eine wichtige Rolle scheint bei diesem Prozess die Überschusswärme des Neptun zu spielen. Wie die großen Gasplaneten Jupiter und Saturn, aber im Gegensatz zu Uranus, strahlt Neptun etwas mehr Wärme ab, als er von der Sonne empfängt. Dabei handelt es sich vermutlich um ein Überbleibsel aus der Entstehungszeit der großen Planeten, bei deren Zusammenballung gravitative (Schwerkraft-)Energie in Wärme umgewandelt wurde und offenbar immer noch wird. Dass dies auf dem Uranus nicht mehr der Fall ist, deutet auf eine mögliche Kollision mit einem großen Himmelskörper oder einem Kometenschwarm hin, der dessen planetare Entwicklung störte (und auch für Uranus« um 90 Grad gekippte Rotationsachse verantwortlich sein könnte).

 

Innerer Aufbau und Magnetfeld

 

Unterhalb der turbulenten Atmosphäre vermutet man einen festen Gesteinskern, der mindestens eine, vielleicht auch vier Erdmassen enthält und von einer Schicht aus gefrorenem Ammoniak umgeben ist. Manche Astronomen vermuten hier auch eine flüssige Schicht aus Ammoniak, Methan und Wasser, die elektrisch leitend und damit für das Magnetfeld des Planeten verantwortlich sein könnte. Temperaturunterschiede in dieser Schicht könnten Strömungen hervorrufen, die wiederum die Besonderheiten dieses Magnetfelds erklären könnten.

 

Die Achse des Neptunmagnetfelds ist nämlich, im Gegensatz zu fast allen anderen bekannten Magnetfeldern von Planeten, Monden oder Sternen, stark gegen seine Rotationsachse geneigt, und zwar um gut 47 Grad. Darüber hinaus ist der Mittelpunkt des Feldes um einen halben Planetenradius gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt versetzt! Aufgrund dieser im wahrsten Sinne des Wortes exzentrischen Lage schwankt die Stärke des Magnetfelds an der Oberfläche der Atmosphäre zwischen einem Drittel und dem Dreifachen des irdischen Magnetfelds.

 

Die außergewöhnliche Lage von Neptuns Magnetfeld ermöglichte die Messung der planetaren Rotationsdauer, indem die Bewegung des (mitrotierenden) Magnetfelds verfolgt wurde. Sie beträgt 16 Stunden und sieben Minuten, ist also deutlich kürzer als die Rotationsperiode der Wolkenschichten. Zudem zeigte sich, dass sich die Wolken entgegen der Drehrichtung des Planeten um Neptun bewegen! Die ständigen Schwankungen der Magnetfeldstärke verhindern die Ausbildung von Strahlungsgürteln, die beispielsweise im Erdmagnetfeld auftreten und dort dafür sorgen, dass hochenergetische, elektrisch geladene Teilchen eingefangen und an den Magnetpolen gebündelt zur Erde gelenkt werden (dabei kommt es zu den als Polarlichtern bekannten Leuchterscheinungen). Aus diesem Grund gelangen geladene kosmische Teilchen praktisch überall in die Neptunatmosphäre, und es kommt auf der gesamten Planetenoberfläche zum Aufflackern von »Polarlichtern«.

 

 Die Ringe des Neptun

 

Nachdem erdgebundene Beobachtungen, aber besonders auch die Voyager-Sonden ausgeprägte Ringe um alle bis dahin besuchten Gasplaneten nachgewiesen hatten, war es nicht überraschend, dass 1984 auch die Entdeckung von Neptunringen verkündet werden konnte. Die irdischen Astronomen waren dabei ihrem kosmischen Kollegen Voyager knapp zuvorgekommen.

 

Sie konnten 1984 erstmals erfolgreich ausnutzen, dass Neptuns Ringe das Licht eines hellen Hintergrundsterns verdecken, wenn der Planet vor diesem vorbeizieht. Kurz vor und kurz nach einer solchen Bedeckung nahm die Helligkeit des Sterns mehrfach für einen kleinen Moment deutlich ab — genau wie entsprechende Beobachtungen bei den anderen großen Planeten wurde dies als Bedeckung des Sterns durch planetare Ringe gedeutet.

 

Die genauere Interpretation der Helligkeitsdaten erwies sich jedoch als äußerst komplex. Es schien, als würden keine vollständigen Ringe vorliegen, sondern nur Teile zweier unvollständiger Ringe. Alle bisherigen Überlegungen waren jedoch davon ausgegangen, dass nur vollständige über lange Zeit stabil sein können. Damit Ringbruchstücke überhaupt existieren könnten, müssten Hirtenmonde vorhanden sein, die sich in ähnlichen Umlaufbahnen wie die Ringsegmente befinden und diese durch ihre Anziehungskraft stabilisieren. Solche Monde waren jedoch zunächst nicht bekannt. Eine andere Hypothese vermutete, dass die Ringsegmente erst vor astronomisch kurzer Zeit durch die Zerstörung eines Mondes aufgrund von Gezeitenkräften entstanden waren.

 

Mit Spannung wurde daher das Eintreffen von Voyager 2 am Neptun erwartet. Die ersten von der Raumsonde übermittelten Bilder des Ringsystems schienen die Existenz von Ringbruchstücken zu bestätigen, doch weitere Bilder zeigten schnell, dass es sich tatsächlich um vier vollständige Ringe handelt. Von ihnen sind drei gerade einmal 15 Kilometer breit, während ein weiterer Ring äußerst lichtschwach und diffus ist. Die scheinbaren Ringsegmente erwiesen sich nun als Verdichtungen innerhalb der aus staubfeinem Material bestehenden Ringe, welche das Sonnenlicht stärker als die übrige Ringmaterie streuten.

 

 Neptuns Monde

 

Neptun besitzt mindestens acht Monde, von denen nur drei groß genug sind, um mit Teleskopen von der Erde beobachtet werden zu können. Von diesen wurden jedoch nur zwei, nämlich Triton und Nereid, schon vor 1989 entdeckt.

 

Triton

 

Triton, in der Mythologie der Sohn des Neptun/Poseidon, ist der größte Mond Neptuns, mit einem Durchmesser von etwa 2 700 Kilometern ist er nur wenig kleiner als der Erdmond (und größer als der nur 2 200 Kilometer durchmessende äußerste Planet Pluto). Tritons geringe Dichte von etwa zwei Gramm pro Kubikzentimeter deutet an, dass er aus einem Gemisch von Eis und Gestein zu bestehen scheint. Dies zeigen auch geysirartige Eruptionen, die von Voyager beobachtet wurden und bei denen Gas und Staub mehrere Kilometer hoch geschleudert wurden. Sie können nur stattfinden, wenn im Eis auch bedeutende Mengen an Stickstoff und Methan eingeschlossen sind. Durch die Gezeitenkräfte Neptuns heizt sich das Innere des Mondes auf, leicht flüchtige Gase verdampfen und treten als Geysire in Erscheinung. (Gezeitenkräfte resultieren aus der unterschiedlich starken Wirkung der Schwerkraft auf näher beziehungsweise weiter entfernt vom Zentralkörper liegende Teile eines Mondes oder Planeten; sie sind auch die Ursache für das Auftreten von Ebbe und Flut auf der Erde.)

 

Möglicherweise sind diese Eruptionen auch die Ursache für Tritons dünne Atmosphäre. Bei einem Druck von nur einem Tausendstel des Normaldrucks in der Erdatmosphäre erstreckt sie sich bis in fast 800 Kilometer Höhe. Die Oberflächentemperatur von Triton beträgt nur —235 Grad Celsius, wodurch Triton eines der kältesten bekannten Objekte des Sonnensystems ist. Möglicherweise zeigt er in seinem inneren Aufbau Ähnlichkeiten zum Planeten des Sonnensystems, Pluto, bei dem man nicht nur ähnlich niedrige Temperaturen, sondern auch eine vergleichbare Dichte annimmt.

 

Triton wurde 1846, nur kurze Zeit nach Neptun selbst, entdeckt. Bald wurde deutlich, dass er sich entgegen der Richtung der anderen Monde im Sonnensystem um den Planeten bewegt (eine retrograde Bahn), was ihn unter den damals bekannten Monden zu einem außergewöhnlichen Objekt macht. Die Ursache hierfür liegt vermutlich darin, dass Triton nicht zusammen mit Neptun entstanden ist, sondern erst später »eingefangen« wurde — ein Schicksal, das dem Pluto offenbar bisher erspart geblieben ist.

 

Kleine Monde

 

Der andere bereits von der Erde aus entdeckte Mond, Nereid, besitzt im Gegensatz zu Triton eine extrem elliptische, das heißt lang gestreckte Umlaufbahn um Neptun. Der Name rührt von den Nereiden, weiblichen griechischen Meeresgottheiten, welche in der mythologischen Vorstellungswelt die Verstorbenen zu den Inseln der Seligen begleiteten. Dies zusammen mit der ungewöhnlichen Bahn von Triton führte zu der Vermutung, dass entweder Nereid ebenfalls ein eingefangener Kleinkörper ist oder aber die ursprünglich kreisförmige Umlaufbahn des kleineren Mondes beim Einfang des Triton stark gestört wurde.

 

Der mit 518 Kilometer Durchmesser zweitgrößte Neptunmond Proteus (nach dem weissagenden Meergreis der griechischen Sage) wurde erst von Voyager 2 entdeckt, obwohl er sich theoretisch in genügend großem Abstand zum Planeten befindet, um von der Erde aus sichtbar zu sein, und sogar größer als Nereid ist. Seine Oberfläche kann jedoch nur extrem wenig Licht reflektieren, da sie praktisch so dunkel wie Ruß ist, weswegen er bis 1989 seiner Entdeckung entging. Die restlichen Neptunmonde sind unregelmäßig geformte Felsbrocken mit Durchmessern zwischen 58 und etwa 200 Kilometern. Mindestens zwei von ihnen, nämlich Despina (eine Nymphe, Tochter des Neptun/Poseidon) und Galatea (eine der Nereiden), wirken als Hirtenmonde für die beiden hellen Ringe des Neptuns, denn ihre Umlaufbahnen befinden sich in deren unmittelbarer Nachbarschaft.

 

Literatur:

 

Herrmann-Michael Hahn: Erde, Sonne und Planeten. Neuausgabe München 1981.

 Rainer Klingholz:Marathon im All. Taschenbuchausgabe Frankfurt am Main 1992.

 

Meyers Handbuch Weltall, Beiträge von Joachim Krautter u. a. Mannheim ⁷1994.

 

Lexikon der Astronomie, bearbeitet von Rolf Sauermost. 2 Bände. Lizenzausgabe Heidelberg 1995.

 

Unser Sonnensystem. Interaktives Astronomie-Lexikon, CD-ROM. Salzburg 1997.

 Holger Heuseler u. a.: Zwischen Sonne und Pluto. München 1999.

 Albrecht Unsöld und Bodo Baschek:Der neue Kosmos. Heidelberg ⁶1999.

 Helmut Zimmermann: ABC-Lexikon Astronomie. Heidelberg ⁸1999.