Orbitalresonanz – der auffällige Gravitationstanz, den Planeten mit ausgerichteten Umlaufbahnen ausführen

Planeten können sich gegenseitig gravitativ beeinflussen, wenn ihre Umlaufbahnen ausgerichtet sind. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Planeten umkreisen ihre Muttersterne in enormen Entfernungen – in unserem Sonnensystem sind Planeten wie Sandkörner in einer Region von der Größe eines Fußballfeldes. Die Zeit, die Planeten brauchen, um ihre Sonne zu umkreisen, steht in keinem spezifischen Zusammenhang zueinander.

Aber manchmal weisen ihre Umlaufbahnen auffällige Muster auf. Beispielsweise haben Astronomen, die sechs Planeten untersuchten, die einen 100 Lichtjahre entfernten Stern umkreisen, gerade herausgefunden, dass sie ihren Stern mit einem fast rhythmischen Takt und in perfekter Synchronität umkreisen. Jedes Planetenpaar vollendet seine Umlaufbahnen in Zeiten, die dem Verhältnis ganzer Zahlen entsprechen, wodurch sich die Planeten ausrichten und während ihrer Umlaufbahn einen gravitativen Schub und Zug auf den anderen ausüben können.

Diese Art der Gravitationsausrichtung wird Orbitalresonanz genannt und ist wie eine Harmonie zwischen entfernten Planeten.

Ich bin ein Astronom, der Kosmologie studiert und darüber schreibt. Forscher haben in den letzten 30 Jahren über 5.600 Exoplaneten entdeckt und ihre außergewöhnliche Vielfalt überrascht Astronomen immer wieder.

Harmonie der Sphären

Der griechische Mathematiker Pythagoras entdeckte vor 2.500 Jahren die Prinzipien der musikalischen Harmonie, indem er die Klänge von Schmiedehämmern und gezupften Saiten analysierte.

Er glaubte, dass die Mathematik das Herzstück der natürlichen Welt sei, und schlug vor, dass Sonne, Mond und Planeten aufgrund ihrer Umlaufbahneigenschaften jeweils ein einzigartiges Summen aussenden. Er glaubte, dass diese „Sphärenmusik“ für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar sei.







Orbitalresonanz, wie man sie bei den Jupitermonden beobachten kann, tritt auf, wenn die Umlaufbahnen von Planetenkörpern ausgerichtet sind – zum Beispiel umkreist Io Jupiter viermal in der Zeit, die Europa für eine zweimalige und Ganymed für eine einmalige Umrundung benötigt. Bildnachweis: WolfmanSF/Wikimedia Commons

Vor vierhundert Jahren griff Johannes Kepler diese Idee auf. Er schlug vor, dass musikalische Intervalle und Harmonien die Bewegungen der sechs damals bekannten Planeten beschrieben.

Für Kepler hatte das Sonnensystem zwei Bässe, Jupiter und Saturn; ein Tenor, Mars; zwei Altisten, Venus und Erde; und eine Sopranistin, Mercury. Diese Rollen spiegelten wider, wie lange jeder Planet brauchte, um die Sonne zu umkreisen, niedrigere Geschwindigkeiten für die äußeren Planeten und höhere Geschwindigkeiten für die inneren Planeten.

Er nannte das Buch, das er über diese mathematischen Zusammenhänge schrieb, „Die Harmonie der Welt“. Obwohl diese Ideen gewisse Ähnlichkeiten mit dem Konzept der Orbitalresonanz aufweisen, erzeugen Planeten eigentlich keine Geräusche, da sich Schall nicht durch das Vakuum des Weltraums ausbreiten kann.

Orbitale Resonanz

Resonanz entsteht, wenn Planeten oder Monde Umlaufperioden haben, die Verhältnisse ganzer Zahlen sind. Die Umlaufzeit ist die Zeit, die ein Planet benötigt, um den Stern vollständig zu umkreisen. So würden sich beispielsweise zwei Planeten, die einen Stern umkreisen, in einer 2:1-Resonanz befinden, wenn ein Planet doppelt so lange braucht wie der andere, um den Stern zu umkreisen. Resonanz wird nur in 5 % der Planetensysteme beobachtet.

Im Sonnensystem befinden sich Neptun und Pluto in einer 3:2-Resonanz. Es gibt auch eine dreifache Resonanz, 4:2:1, zwischen den drei Jupitermonden Ganymed, Europa und Io. In der Zeit, die Ganymed benötigt, um Jupiter zu umkreisen, umkreist Europa zweimal und Io viermal. Resonanzen treten auf natürliche Weise auf, wenn Planeten Umlaufzeiten haben, die das Verhältnis ganzer Zahlen darstellen.

Musikalische Intervalle beschreiben die Beziehung zwischen zwei Musiknoten. In der musikalischen Analogie sind wichtige musikalische Intervalle, die auf Frequenzverhältnissen basieren, die Quarte 4:3, die Quinte 3:2 und die Oktave 2:1. Jeder, der Gitarre oder Klavier spielt, dürfte diese Intervalle kennen.






Musikalische Intervalle können verwendet werden, um Tonleitern und Harmonien zu erzeugen.

Orbitalresonanzen können die Art und Weise verändern, wie die Schwerkraft zwei Körper beeinflusst, indem sie dazu führen, dass sie schneller oder langsamer werden, sich auf ihrer Umlaufbahn stabilisieren und manchmal ihre Umlaufbahnen unterbrochen werden.

Stellen Sie sich vor, Sie schieben ein Kind auf einer Schaukel. Sowohl ein Planet als auch eine Schaukel haben eine Eigenfrequenz. Geben Sie dem Kind einen Schubs, der der Schaukelbewegung entspricht, und es wird einen Schub bekommen. Sie erhalten auch einen Schub, wenn Sie sie jedes zweite Mal, wenn sie sich in dieser Position befinden, oder jedes dritte Mal anstoßen. Aber stoße sie zu zufälligen Zeitpunkten an, manchmal mit der Bewegung der Schaukel und manchmal dagegen, und sie bekommen keinen Schub.

Bei Planeten kann der Schub dazu führen, dass sie ihre Umlaufbahnen fortsetzen, es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass sie ihre Umlaufbahnen stören.

Exoplanetenresonanz

Exoplaneten oder Planeten außerhalb des Sonnensystems zeigen eindrucksvolle Beispiele für Resonanz, nicht nur zwischen zwei Objekten, sondern auch zwischen resonanten „Ketten“, an denen drei oder mehr Objekte beteiligt sind.






Orbitalresonanz kann dazu führen, dass Planeten oder Asteroiden schneller werden oder ins Wanken geraten.

Der Stern Gliese 876 hat drei Planeten mit einem Umlaufperiodenverhältnis von 4:2:1, genau wie die drei Monde des Jupiter. Kepler 223 hat vier Planeten mit Verhältnissen von 8:6:4:3.

Der Rote Zwerg Kepler 80 hat fünf Planeten mit Verhältnissen von 9:6:4:3:2 und TOI 178 hat sechs Planeten, von denen fünf in einer Resonanzkette mit Verhältnissen von 18:9:6:4:3 liegen.

TRAPPIST-1 ist Rekordhalter. Es gibt sieben erdähnliche Planeten, von denen zwei bewohnbar sein könnten, mit Umlaufverhältnissen von 24:15:9:6:4:3:2.

Das neueste Beispiel einer Resonanzkette ist das System HD 110067. Er ist etwa 100 Lichtjahre entfernt und hat sechs Sub-Neptun-Planeten, eine häufige Art von Exoplaneten, mit Umlaufverhältnissen von 54:36:24:16:12:9. Die Entdeckung ist interessant, weil die meisten Resonanzketten instabil sind und mit der Zeit verschwinden.

Trotz dieser Beispiele sind Resonanzketten selten und nur 1 % aller Planetensysteme weisen sie auf. Astronomen gehen davon aus, dass Planeten in Resonanz entstehen, aber kleine Gravitationsstöße von vorbeiziehenden Sternen und wandernden Planeten löschen die Resonanz mit der Zeit aus. Bei HD 110067 hat die Resonanzkette Milliarden von Jahren überlebt und bietet einen seltenen und unberührten Blick auf das System, wie es war, als es entstand.

Orbit-Sonifizierung






Musik aus Planetenumlaufbahnen, geschaffen von Astronomen der Europäischen Südsternwarte.

Astronomen nutzen eine Technik namens Sonifikation, um komplexe visuelle Daten in Ton zu übersetzen. Es gibt den Menschen eine andere Möglichkeit, die wunderschönen Bilder des Hubble-Weltraumteleskops zu genießen, und es wurde auf Röntgendaten und Gravitationswellen angewendet.

Bei Exoplaneten kann die Sonifikation die mathematischen Beziehungen ihrer Umlaufbahnen vermitteln. Astronomen am Europäischen Südobservatorium schufen für das TOI 178-System das, was sie „Sphärenmusik“ nennen, indem sie jedem der fünf Planeten einen Klang auf einer pentatonischen Skala zuordneten.

Eine ähnliche musikalische Übersetzung wurde für das TRAPPIST-1-System durchgeführt, wobei die Orbitalfrequenzen um den Faktor 212 Millionen skaliert wurden, um sie in den hörbaren Bereich zu bringen.

Astronomen haben auch eine Sonifikation für das HD 110067-System erstellt. Man ist sich vielleicht nicht einig darüber, ob diese Interpretationen wie echte Musik klingen, aber es ist inspirierend zu sehen, wie die Ideen von Pythagoras nach 2.500 Jahren verwirklicht werden.

Bereitgestellt von The Conversation

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.Die Unterhaltung

Zitat: Orbitalresonanz: Der auffällige Gravitationstanz von Planeten mit sich ausrichtenden Umlaufbahnen (2024, 3. Februar), abgerufen am 4. Februar 2024 von https://phys.org/news/2024-02-orbital-resonance-gravitational-planets-aligning.html

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By rb8jg

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