9. Planet entdeckt? - theoretisch zumindest

Früher konnte man sich die Reihenfolge der Planeten [1] im Sonnensystem [1] mit dem folgenden Spruch merken:

"Mein Vater erklärt uns jeden Sonntag unsere neun Planeten".

Nach der Degradierung des 9. Planeten Pluto [1] zum Zwergplaneten [1] mussten die Schulkinder einen neuen Merkspruch lernen. Da waren es nur noch Acht ...

Hinweise
Hinweise auf einen weiteren (grossen) Planeten im Sonnensystem gibt es schon lange: Im Jahr 1846 sagte der französische Mathemathiker Le Verrier [1] die Existenz eines Riesenplaneten voraus: der Planet Neptun [1] wurde am Berliner Observatorium [1] aufgrund von Bahnunregelmäßigkeiten des Planeten Uranus [1] entdeckt. Für die damalige Zeit war das eine Sensation.

Nach der Entdeckung des Planeten Pluto im Jahr 1930 waren einige Wissenschaftler davon überzeugt, dass ausserhalb des Pluto ein weiterer 10. Planet, der sog. Planet X [1], existiere, und dieser die Bahn der äusseren Planeten störe.

In den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden mehrere Suchaktionen durchgeführt, darunter Berechnungen, die zu dem Schluss kamen, dass ein Planet X rund 3 Mal so weit entfernt wäre wie der Planet Neptun und einen exzentrische Bahn [1] besäße, die gegenüber der Ekliptik [1] stark geneigt ist [5]. Das stiess bei renommierten NASA-Wissenschaftlern auf grosse Skepsis.

Ein anderer Forscher schloss aus Irregularitäten der Bewegung des Halleyschen Kometen [1] auf einen etwa jupitergrossen Planeten jenseits des Neptun; er sollte etwa 59 Astronomische Einheiten (AE) [1] entfernt sein [6]. Wieder konterte ein renommierter NASA-Wissenschaftler.

Etwa zur gleichen Zeit erbrachte die Auswertung von Daten der Raumsonde Voyager [1], dass die Bahnen der Planeten Uranus und Neptun ungestört seien; ein Planet X sei daher nicht notwendig.
Dagegen ergaben Berechnungen, dass ein bisher unentdeckter Brauner Zwerg(stern) [1] oder ein Planet von der Grösse des Jupiters für gelegentliche Häufungen bestimmter neuer Kometen verantwortlich sei.

Vor rund 25 Jahren ergab eine Computersimulation, dass lediglich Planeten ausserhalb von Pluto die Bahnen der Planeten Pluto und Neptun stören könnten, wenn diese mindestens 5 Erdmassen und eine Entfernung von 52-62 AE besäßen [7].

Entdeckungshistorie
Vor rund 150 Jahren wurden Pluto und vor rund 20 Jahren der erste Exoplanet [1] entdeckt; inzwischen wissen wir, dass zahlreiche Sterne Planeten besitzen, zumeist mehrere grosse Planeten. Nach der Entdeckung der Zwergplaneten Sedna* [1] und 2012 VP113 [1] (im Jahr 2014) vermutete man, dass es einen weiteren, neunten Planeten gäbe, der aus dem inneren Sonnensystem herausgeschleudert wurde und dabei Objekte aus dem Kuiper-Gürtel [1] mit sich gerissen haben könnte [2a]. Wahrscheinlich besitze er 5-10 mal mehr Masse als die Erde und sei etwa 150 AE von der Sonne entfernt.
Einige Forscher vermuten sogar die Existenz zweier Planeten ausserhalb von Pluto [3].

Der vermeintliche 9. Planet könnte noch immer um die Sonne kreisen. Nur ... wir sehen ihn bislang nicht.

Der Vorbote der Entdeckung

Nun scheint es als ob sich das Rad zurückdreht: zwei US-amerikanische Wissenschaftler des CalTech (California Institute of Technology) [1] behaupten einen 9. Planeten entdeckt zu haben [2b]. Sie gaben ihm den vorläufigen Namen Planet Nine [1, 2b, 4] (Abb. 1).

Abb. 1 Künstlerische Darstellung des vermeintlich neuen Planeten Planet Nine.
© Caltech/R. Hurt (IPAC)

Allerdings wurde Planet Nine nicht mithilfe eines grossen Teleskops entdeckt, sondern anhand von Computersimulationen mathematischer Modelle.

Noch hat niemand den neuen Planeten gesehen.

Der neue Planet sei etwa zehn Mal so gross wie die Erde und rund 20 Mal weiter von der Sonne entfernt als Neptun [2b]. Planet Nine könnte der Sonne bis auf rund 200 AE nahekommen, rund sieben Mal so weit wie die Entfernung zu Neptun, um sich danach bis auf 600-1.200 AE zu entfernen, möglicherweise weiter als der Kuiper-Gürtel, der ausserhalb des Planeten Neptun in einer Entfernung von rund 30 AE beginnt.

Die Forscher schätzen die Masse von Planet Nine auf rund 5.000 Plutomassen. Für eine Bahnumrundung um die Sonne benötigt Planet Nine wahrscheinlich 10.000-20.000 Jahre. Die Bahn des Planeten ist auf bizarre Art und Weise stark gestreckt bzw. besitzt eine grosse Abweichung von der Kreisbahn [1].

Warum ein weiterer grosser Planet? - Die Suche
Die an der neuen Veröffentlichung beteiligten Forscher waren zuerst skeptisch, ob ein weiterer grosser Planet im äusseren Sonnensystem existieren kann, jedoch seien sie aufgrund ihrer Berechnungen immer mehr überzeugt, dass Planet Nine existiere und das Planetensystem ohne ihn unvollständig sei.

Die Überzeugung der Wissenschaftler wuchs insbesondere seit dem Jahr 2014: in diesem Jahr fand man heraus, dass die 13 entferntesten Objekte des Kuiper-Gürtels ein gemeinsames merkwürdiges Bahnverhalten zeigen. Den Einfluss naher Sterne konnten sie ausschliessen. ** Zur Erklärung der Beobachtungen dieser Objekte schlugen die Forscher einen bisher unentdeckten kleinen Planeten vor.

Abb. 2 Schematische Darstellung der Bahnen von 6 Objekten des Kuiper-Gürtels
um die Sonne (Sun). Darunter befindet sich Sedna, ein erst kürzlich entdeckter neuer Himmelskörper. Sämtliche Objekte besitzen stark exzentrische Bahnen, deren sonnenferne Punkte in der 3-dimensionalen Ansicht in die gleiche Richtung weisen. Ein 9. Planet, Planet Nine, (rote Bahn) mit einer Masse von rund 10 Erdmassen und einer ebenfalls exzentrischen Bahn kann die Bahnen der 6 Kuiper-Objekte erklären. Sein sonnenfernster Bahnpunkt ist gegenüber den Bahnen der 6 Kuiper-Objekte um etwa 180 Grad verschoben. Der kleine blaue Kreis entspricht der Bahn des Planeten Neptun. © Nature/[2b]

Das ist deswegen überraschend, da die äussersten Punkte ihrer Bahnen unterschiedlich schnell "um das Sonnensystem wandern" - ähnlich 6 Uhrzeigern, die sich unterschiedlich schnell in einer Uhr bewegen. Schaut man dann plötzlich an den Himmel, befinden sich diese Bahnpunkte allesamt am gleichen Ort, ein Ereignis, das vielleicht ein Mal in 100 Jahren auftritt.

Zudem sind sämtliche 6 Bahnen der Kuiper-Objekte auf die gleiche Art und Weise verdreht: sie zeigen etwa 30 Grad nach unten in die gleiche Richtung (relativ zur Ekliptik [1]). Die Wahrscheinlichkeit hierfür beträgt etwa 0,007 Prozent (entspricht etwa 1:15.000); das Ereignis ist ziemlich unwahrscheinlich. Daher vermuteten die Forscher, dass es etwas geben müsse, das diese Bahnen beeinflusst.

Ursachenforschung der Bahnähnlichkeit
(a)   Als erste Möglichkeit zogen die Forscher entfernte, teilweise bisher unentdeckte Objekte des Kuiper-Gürtels in Betracht, die die Bahnanomalien durch ihre Anziehungskraft [1] auslösen könnten. In diesem Fall müsste der Kuiper-Gürtel jedoch etwa 100 Mal mehr Masse besitzen.

(b)   Möglicherweise könnte ein Planet die Kuiper-Objekte beeinflussen. Doch bisherige Simulationen mit einem entfernten Planeten, der die Bahnen der 6 Kuiper-Objekte einschliesst - und wie ein Lasso auf die Ausrichtung der Bahnen wirkt -, konnte die exzentrischen Bahnen nicht vollständig erklären.

(c)   Schliesslich und eher zufällig konnten Simulationen eines massereichen Planeten mit einer entgegengesetzt ausgerichteten Bahn, deren grösste Annäherung an die Sonne (Perihel [1]) gegenüber dem Perihel der anderen Objekte und der bekannten Planeten um 180 Grad entgegengesetzt ausgerichtet ist, die beobachtete Bahnausrichtung der kleinen Kuiper-Objekte reproduzieren.

Im Fall von Planet Nine bedeutet das:
Wenn sich die Sonne umkreisende Objekte des Planetensystems einander annähern, tauschen sie Energie aus. Beispielsweise kann ein entferntes Kuiper-Objekt während vier Bahnumkreisungen von Planet Nine selbst neun Mal um die Sonne kreisen. Dabei ist eine Kollision beider Himmelskörper ausgeschlossen. Stattdessen gibt Planet Nine den Bahnen der entfernten Kuiper-Objekte sozusagen immer wieder einen "Schubs", so dass die Bahnen relativ zueinander stabil bleiben. Planet Nine wirke ähnlich wie ein Hirte, der dafür sorgt, dass die Herde zusammenbleibe, so einer der Wissenschaftler.

Dennoch blieben die Forscher zunächst skeptisch: ein derartiges Ergebnis hatte niemand erwartet. Je intensiver die Wissenschaftler an dem Problem arbeiteten und je mehr sie sich der Konsequenzen des Ergebnisses klar wurden, desto stärker war ihre Überzeugung, dass sie eine interessante Entdeckung und eine wichtige Vorhersage gemacht hatten.

Erklärungen und Fragen
Der vermeintliche 9. Planet könnte einige rätselhafte Phänomene des Kuiper-Gürtels erklären, beispielsweise bisher unerklärliche Umlaufbahnen von Objekten des Kuiper-Gürtels wie Sedna. Falls Planet Nine tatsächlich existiert, dominiert er seine Umgebung gravitativ und kann kleine Objekte in seiner Umgebung oder bei einer Passage beeinflussen.

Die Existenz eines 9. Planeten kann nicht nur die Ausrichtung der Bahnen entfernter Kuiper-Objekte erklären, sondern auch die merkwürdige Bahn von Sedna, die sich dem Planeten Neptun niemals wirklich nähert - obwohl das zahlreiche andere Kuiper-Objekte tun und dabei wieder nach aussen geschleudert werden. Planet Nine würde auf ganz natürliche Weise Himmelskörper wie Sedna erzeugen.

Die entscheidende und wahrscheinlich relativ einfach zu beobachtende Vorhersage der Computersimulationen ist die Existenz weiterer Kuiper-Objekte auf stark geneigten Bahnen, deren Richtung senkrecht auf der Ekliptik steht. Tatsächlich haben Beobachtungen innerhalb der letzten drei Jahre 4 Objekte entdeckt, deren Bahnen etwa senkrecht zur Bahn des Neptun stehen. Diese Bahnen passen exakt zu den Vorhersagen der Berechnungen.

Die Computersimulationen schlagen sozusagen zwei Fliegen mit einer Klappe, wobei eine weitere Fliege tot umfällt, die man zuvor nicht bemerkt hatte: die Bahnen der entfernten Kuiper-Objekte werden ausgerichtet und erzeugen Himmelsobjekte wie Sedna - und es existiert ein neuer Riesenplanet.

Ungeklärt sind jedoch Fragen wie: Woher kommt Planet Nine?
Wie gelangte er an den Rand des Sonnensystems?
Lange nahmen die Wissenschaftler an, das frühe Sonnensystem - vor rund 4,5 Milliarden Jahren - begann mit vier Planetenkernen, die das sie umgebende Gas aufsammelten, und die Planeten Jupiter, Saturn [1], Uranus und Neptun bildeten. Diese vier Planeten wurden im Laufe der Zeit durch Kollisionen sozusagen geformt und wanderten schliesslich an den Ort ihrer heutigen Bahnen.

Abb. 3 Vergleichende Darstellung der Planeten Erde-Planet Nine-Neptun und Uranus.
Im Vergleich zur Erde besitzen sämtliche anderen drei Riesenplaneten mindestens 10 Erdmassen. Die Länge des jeweiligen Planetenjahres beträgt im Vergleich zur Erde im Falle der Planeten Neptun und Uranus rund 165 bzw. 84 Jahre. Ein Jahr auf dem neuen 9. Planeten Planet Nine dagegen würde etwa 10.000-20.000 Erdjahre dauern.© space.com

Im äusseren Sonnensystem wurde Planet Nine nach dem Herausschleudern durch dort vorhandenes Gas ausgebremst und auf diese Art das Verlassen des Sonnensystems verhindert. Zu diesem Zeitpunkt war das Planetensystem wahrscheinlich erst 3-10 Millionen Jahre alt.

Planet Nine belegte schliesslich eine elliptische Bahn um die Sonne, wo er heute noch auf seine Entdeckung wartet. Planet Nine habe jedoch so weit ausserhalb der Sonne nicht viel grösser werden können; die dort vorhandene Menge an Gas sei zu dünn bzw. zu weit verteilt gewesen, so die Forscher.

Gegenwärtig verfeinern die beteiligten Wissenschaftler ihr Simulationen und wollen weitere Rückschlüsse auf die Bahn von Planet Nine und dessen Einfluss auf das äussere Sonnensystem ziehen. Gleichzeitig begeben sich zahlreiche Wissenschaftler bereits auf die Suche nach Planet Nine am Himmel. Leider kennen die Forscher nur die Bahn des vermeintlichen 9. Planeten, jedoch nicht seine derzeitige genaue Position am Himmel.

Nun sollen Himmelsdurchmusterungen [1] auf mögliche unbekannte Objekte durchsucht werden. Es sind bereits Beobachtungen mit grossen Teleskopen wie den beiden 10m-Teleskopen des KECK [1], die jedoch nur kleine Gesichtsfelder besitzen, und dem 8m-Subaru-Teleskop [1] geplant. Das Subaru-Teleskop besitzt ein Gesichtsfeld, das etwa 75 mal grösser ist als das der KECK-Zwillinge. Dennoch gleicht die Suche der mit einem Strohhalm nach einer Nadel im Heuhaufen. Die Forscher schätzen die Zeit für eine erfolgreiche Suche nach Planet Nine auf etwa 5 Jahre.

Selbst der Experte, der den Fachartikel überprüft hat, ein Planetenforscher am Observatorium in Nizza [1], ist ziemlich überzeugt, dass ein (weiterer) Planet des Sonnensystems existiere.

Berechtigte Skepsis?

(a) Zu wenige Objekte
Allerdings gibt es immer Skeptiker - wie der Entdecker des Kuiper-Gürtels [1]. Für ihn entspreche die gefundene 0,007 prozentige Wahrscheinlichkeit lediglich einer Signifikanz von 3,8 σ [1]; üblicherweise nimmt man in der Physik ein Ergebnis ab einer Signifikanz von 3 σ ernst, in der Teilchenphysik [1] jubelt man jedoch erst ab 5 σ. Die Forscher hätten durch ihre Reduktion der 13 sich merkwürdig verhaltenden Kuiper-Objekte auf lediglich 6 die Glaubwürdigkeit ihrer Entdeckung wesentlich reduziert, so der Kritiker. Er vergleicht dies mit einem Mikado-Spiel [1] mit lediglich 6 Stäbchen.

(b) Beobachtungen schliessen aus
Weitere Skepsis wird durch Beobachtungen des WISE-Satelliten (Widefield Infrared Survey Explorer) [1] der NASA [1] verbreitet. WISE hat den gesamten Himmel im infraroten Spektralbereich [1] nach Braunen Zwergen [1] oder Riesenplaneten untersucht. Die Auswertungen der Beobachtungen im Jahr 2013 deuten an, dass bis zu einer Entfernung von rund 10.000 AE kein Planet existieren kann, der grösser als der Planet Saturn ist.
Falls Planet Nine jedoch kleiner als der Planet Neptun sei, hätte WISE diesen wahrscheinlich verfehlt. Möglicherweise enthalten langwelligere Beobachtungen [1] von WISE jedoch Hinweise auf einen weiteren Planeten. Die Daten werden zur Zeit mit diesem Hintergrund nochmals analysiert.

9 Planeten oder doch nur 8?
Den Forschern geht es nun darum, dass Planet Nine überhaupt aufgefunden wird, egal von wem. Eine derartige Entdeckung wäre für das Verständnis unseres und anderen Planetensystemen von entscheidender Bedeutung, insbesondere da zahlreiche Exosysteme [1] hauptsächlich schwere Planeten im Bereich von 1-10 Erdmassen enthalten.

Vor allem besäße das Sonnensystem dann erneut 9 Planeten und der alte Merkspruch

"Mein Vater erklärt uns jeden Sonntag unsere neun Planeten".

wäre wieder gültig.

Ironischerweise war einer der beiden Wissenschaftler an der Degradierung von Pluto zum Zwergplaneten beteiligt [9]. Ob er den angerichteten Schaden mit einem neuen 9. Planeten wieder gutmachen möchte, bleibt dahingestellt. Jedenfalls möchte er Planet Nine finden und vergleicht die Suche nach Planet Nine mit der Entdeckung eines neuen Kontinents auf der Erde. Diesen neuen Planeten werde er nicht degradieren verspricht er.

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

*   Sedna [9] ist etwas kleiner als Pluto und war lange Zeit das entfernteste Objekt des Sonnensystems. Sedna nähert sich der Sonne bis auf rund 76 AE; der bahnnächste Punkt liegt jedoch immer noch ausserhalb des Kuiper-Gürtels und weit ausserhalb des gravitativen Einflusses des Planeten Pluto.
Jahrelang nahm man an, dass die Bahn von Sedna durch den Einfluss des Planeten Neptun gestört werde bis man im Jahr 2014 ein weiteres entferntes Kuiper-Objekt, VP113 [1, 9], entdeckte, das sich ähnlich verhält.

**   Andere Forscher schlugen zur Erklärung von Sednas Bahn einen Stern vor, der von Zeit zu Zeit am Planetensystem vorüberziehe oder stellare Brustätten, die die Sonne zur Zeit ihrer Entstehung umgaben.

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über astronomische Begriffe
www.wikipedia.de

[2a] http://nasa.gov

[2b]
http://www.caltech.edu
Batygin, K., Brown, M.E., AJ 151, 22 (2016)

[3] de la Fuente Marcos, C. et al., MNRAS (2014)

[4] Science (20 Jan 2016)

[5] Harrington, R.S., AJ 96, 1476-1478 (1988)

[6] Brady, J.L., PASP 84, 314-322 (1972)

[7] Jackson, A.A., et al., MNRAS 235, 593-601 (1988)

[8] Buch über die Degradierung zum Zwergplaneten
http://web.gps.caltech.edu/~mbrown/howikilled.html

[9] Mehr Information über Sedna und entfernte Kuiper-Objekte
http://ig-hutzi-spechtler.eu/aktuelles__v774104_Zwergplanet.html

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