Der schüchterne Trojaner

Der Astronaut Bill Anders erblickte als einer der Ersten die Rückseite des Mondes. Die Landschaft vor dem Fenster der Apollo-Kapsel ließ ihn an seine Familie denken: „Wie ein Sandhaufen, in dem meine Kinder gespielt haben”, funkte er, „ alles ist aufgewühlt, überall Buckel und Löcher.” Dieser Moment, Weihnachten 1968, markierte das Ende einer Terra incognita. Heute wissen Planetologen: Die Mondrückseite, von der Erde aus unsichtbar, unterscheidet sich stark von der Vorderseite. Während vorn große Einschlagbecken dominieren, ist die Rückseite von Berglandschaften geprägt – bisher ein Rätsel für die Forscher. Doch wenn Martin Jutzi von der Universität Bern Recht behält, ist nun eine Lösung in Reichweite. Schuld am janusköpfigen Mond war demnach ein zweiter Begleiter der Urerde: mit knapp 1300 Kilometer Durchmesser ein stattlicher Himmelskörper. Beim Aufprall auf die erdabgewandte Mondseite soll er die Landschaft dort geschaffen haben.

Mit dem Crash endete die damalige Dreiecksbeziehung – so die Hypothese des Schweizer Physikers –, doch die Abneigung, sich mit einem einzigen Begleiter zu begnügen, hat die Erde behalten. Wie kürzlich das Fachmagazin „Nature” verkündete, haben Astronomen aus Kanada und den USA einen weiteren Erdbegleiter aufgespürt: 2010 TK7. Verglichen mit dem Ex aus Urzeiten ist der 300-Meter-Brocken kümmerlich, aber auch er wird stark von der Erdanziehung beeinflusst. Er ist kein Mond im eigentlichen Sinn, sondern umrundet einen stabilen Punkt auf der Erdumlaufbahn. In der Himmelsmechanik heißen solche Kleinkörper „Trojaner”. Wie die Erde braucht der Erd-Trojaner ein Jahr für einen Sonnenumlauf. Er eilt uns um 60 Grad voraus. Dort befindet sich einer der Lagrange-Punkte des Erde-Sonne-Systems (siehe Kasten „ Lagrange-Punkte – die Orte der Trojaner”).

NOCH MEHR HEIMLICHE GEFÄHRTEN

Martin Connors von der kanadischen Athabasca University vermutet, dass es noch mehr Erd-Trojaner gibt: „Meist befinden sich solche Himmelskörper von der Erde aus gesehen am Tageshimmel und sind deshalb schwer zu entdecken.” Der trojanische Kleinplanet war in den Daten des WISE-Satelliten der NASA (WISE: Wide-field Infrared Survey Explorer) aufgespürt worden. WISE fotografierte im vergangenen Jahr den gesamten Himmel im Infrarotbereich und erweiterte so die Möglichkeiten der Astronomen stark: Bislang haben sie damit 132 erdnahe Kleinplaneten entdeckt, darunter 2010 TK7. Spätere Beobachtungen mit einem Teleskop auf Hawaii bestätigten dessen trojanische Natur.

Planetoiden findet man im Sonnensystem an den unterschiedlichsten Stellen. Die meisten kommen nie in Erdnähe. Sie umrunden die Sonne zwischen Mars und Jupiter im sogenannten Hauptgürtel. Doch eine viel kleinere Gruppe dringt bis zur Erdbahn vor (bild der wissenschaft 3/2008, „Die Vagabunden des Sonnensystems”). Diese Planetoiden stammen ebenfalls aus dem Hauptgürtel, gerieten dort aber durch Störkräfte auf instabile Bahnen – und damit auf Erdkurs. Die beiden Planetoiden-Gruppen haben eines gemeinsam: Die meisten Mitglieder sind mit keinem großen Planeten verbandelt, bewegen sich also unabhängig auf herkömmlichen Ellipsen um die Sonne.

EIN GANZER HAREM

Im Jahr 1906 zeigte der Astronom Max Wolf, dass die Berechnungen des Astronomen Joseph-Louis Lagrange von 1772 keine graue Theorie waren: Von Heidelberg aus spürte Wolf den ersten Trojaner bei Jupiter auf: Achilles, ein 135-Kilometer-Brocken, der ähnlich wie der Erd-Trojaner den L4- Punkt umrundet. Beim Mars wurden die Forscher erstmals 1990 fündig – bis heute sind vier Mars-Trojaner aktenkundig. Und im vergangenen Jahr wurde die Entdeckung eines Neptun-Trojaners bekannt.

Doch den Löwenanteil stellen Jupiters Trojaner. Sie sind mittlerweile recht gut erforscht. Das Minor Planet Center der Internationalen Astronomischen Union gibt ihre Zahl mit 5115 an. Eine Studie im Fachblatt „Icarus” von Astronomen um Martha W. Schaefer wirft Licht auf die Herkunft dieses Harems: Den Forschern von der Louisiana State University in Baton Rouge zufolge stammen die Vagabunden nicht aus dem Planetoidengürtel in Jupiters Nachbarschaft. Vielmehr scheint es sich um Körper zu handeln, die sich einst weit entfernt von der Sonne gebildet haben und deren Eis im Lauf der Äonen verloren ging. In den Bann des Riesenplaneten gerieten sie, als sich Jupiter unstet durchs frühe Sonnensystem bewegte (bild der wissenschaft 6/2011, „Die Flegeljahre der Giganten”).

Die Population der erdnahen Planetoiden wird von den Astronomen besonders penibel überwacht, besonders wegen des Kollisionsrisikos. Welche Gefahr geht von 2010 TK7 aus? „Einmal im Jahr kommt er bis auf rund 20 Millionen Kilometer an uns heran. Das ist nicht übermäßig nah”, beruhigt Connors. Langfristig ändert der Erd-Trojaner jedoch seinen Umlaufbahn, er bewegt sich auf einer „Kaulquappen-Bahn” (siehe Abbildung oben). In etwa 200 Jahren wird er das erdferne Ende dieser Bahn erreichen, in 150 Millionen Kilometer Distanz von unserem Planeten. Doch das Wechselspiel aus Nähe und Distanz geht weiter: In 400 Jahren wird sich 2010 TK7 erneut der Erde nähern. Außer der Umlaufbahn ist über 2010 TK7 bislang nicht viel bekannt. Für die Hubble- und Herschel-Weltraumteleskope ist er nur ein Lichtpünktchen. Connors entdeckte einen Hang zum Chaos in seinem Bahnverhalten. Die Störkräfte Jupiters sorgen dafür, dass die Umlaufbahn langfristig unberechenbar ist. Doch 2010 TK7 soll mindestens einige Hundert Jahre lang ein Trojaner bleiben. Seine Bahnebene unterscheidet sich merklich von der irdischen: Sie ist um knapp 21 Grad zu ihr geneigt. Daher wird 2010 TK7 nicht so bald von einer Raumsonde inspiziert werden, denn dazu bräuchte sie viel Treibstoff.

Quasi-Satelliten der Erde

Schon 2010 beschrieb der polnische Physiker Pawel Wajer einen anderen Typ von Erdbegleitern. Solche erdnahen Planetoiden heißen Quasi-Satelliten. Erst zwei sind heute bekannt. Auch sie bewegen sich auf von der Erde beeinflussten Umlaufbahnen um die Sonne. Und sie brauchen dafür ebenfalls ein Jahr. Wie der Erd-Trojaner sind sie keine dauerhaften Erdbegleiter. Bei einem der beiden, 2006 FV35, ist laut Wajer unklar, wann er sich mit der Erde einließ. Noch etwa bis zum Jahr 2800 soll uns der Mini-Brocken, der kaum 400 Meter groß ist, erhalten bleiben. Dann wird ihn sein elliptischer Orbit auf Tuchfühlung mit der Venus bringen. Ihre Anziehung wird ihn gefangen nehmen – und der Erde zumindest zeitweilig abspenstig machen. Langfristig ist sein Schicksal düster, denn laut Wajer droht ihm eine Kollision mit der Venus.

Der Crash der Monde

Zurück zum großen Urzeitknall, bei dem sich der Erdmond und der hypothetische Urmond ins Gehege kamen: Man kann sich das Ganze als zusätzliches Kapitel der „Giant-Impact”-Theorie der Mondgeburt vorstellen (bild der wissenschaft 6/2010, „Wie entstand der Mond?”). Ihr zufolge wurde die junge Erde von einem marsgroßen Urplaneten getroffen, der dabei zerstört wurde. Der Aufprall schleuderte die Fragmente des Urplaneten und irdisches Gestein ins All. Aus den Trümmern ballte sich später der Erdmond zusammen. Durch Simulationsrechnungen wissen Astronomen, dass bei einem solchen Crash auch kleinere Begleiter-Monde entstehen können, meist auf instabilen Bahnen. „Sie haben typischerweise eine Lebensdauer von weniger als 10 000 Jahren”, sagt Martin Jutzi.

An diesem Punkt setzt seine neue Studie an – und der Theorie noch eins drauf: Jutzi postuliert, dass der Begleiter-Mond es bis zu einem Lagrange-Punkt des Erde-Mond-Systems geschafft hat. In einer solchen Umlaufbahn (bei L4 oder L5) hätte er bis zu 100 Millionen Jahre existieren können. Schließlich sei er aber doch mit dem Erdmond kollidiert. Anders als bei typischen planetaren Kollisionen soll der Zusammenprall der beiden Erd-Gefährten recht sanft erfolgt sein. Jutzi hat den Crash im Computer nachgestellt. Die Rechnung zeigt, dass bei dem Sturz auf die Rückseite kein großer Einschlagkrater entstand, sondern dass sich die Gesteinstrümmer vielmehr weiträumig in der Mondlandschaft verteilten. In diesem Gebiet wurde die Mondkruste mächtiger – etwa doppelt so dick wie auf der Vorderseite. Das gebirgige Hochland, das aus den Trümmern entstand, ist etwa so groß wie die Gebirgslandschaft auf der heutigen Mondrückseite. Auch die chemischen Unterschiede von Vorder- und Rückseite kann das Modell erklären. Wahrscheinlich war der Erdmond vor der Kollision noch von einem etwa 100 Kilometer tiefen Magma-Ozean bedeckt. Jutzi meint: „Durch den Einschlag kam es zu einer Umverteilung des Magmas: Elemente, die als letzte aus der Schmelze auskristallisierten, gelangten bevorzugt auf die erdzugewandte Seite.”

Sein Modell dürfte bald einer genauen Prüfung unterzogen werden, nämlich wenn die Daten von GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) ausgewertet werden. Mit ihren präzisen Messungen des lunaren Schwerefelds werden die kürzlich gestarteten NASA-Sonden einen Blick unter die Mondoberfläche erlauben. ■

THORSTEN DAMBECK ist Physiker und regelmäßiger bdw-Autor. Im Oktober berichtete er über sonnenlose Planeten in der Milchstraße.

von Thorsten Dambeck