Sonnensystem

Was das Sonnensystem ist

Das Sonnensystem ist das Planetensystem, in dem sich die Erde befindet. Es besteht aus der Sonne, acht Planeten, deren natürlichen Satelliten, Zwergplaneten, Kometen, Asteroiden, Meteoroiden sowie unzähligen Gas- und Staubteilchen. Diese Körper sind durch die Anziehungskraft der Sonne an das System gebunden. Die Planeten heißen in zunehmendem Abstand von der Sonne Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Pluto wird seit 2006 nach der Definition der Internationalen Astronomischen Union als Zwergplanet und nicht mehr als Planet eingestuft.

Die Sonne ist der Zentralstern und enthält 99,86 % der Gesamtmasse des Sonnensystems. Deshalb liegt das Baryzentrum, also der gemeinsame Schwerpunkt des Systems, sehr nahe an ihr. Die inneren, terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars besitzen feste, erdähnliche Oberflächen. Die äußeren Planeten sind Jupiter und Saturn als Gasriesen sowie Uranus und Neptun als Eisriesen. Weitere Körper befinden sich vor allem im Asteroidengürtel, im Kuipergürtel und in der Oortschen Wolke.

Die Planetenbahnen liegen weitgehend in einer flachen Scheibe und sind höchstens 7° gegenüber der Erdbahnebene geneigt. Die meisten bekannten Kleinplaneten haben eine Bahnneigung von weniger als 30°; für die Oortsche Wolke wird dagegen eine Kugelform angenommen. Alle Planeten, Zwergplaneten und Körper des Asteroidengürtels bewegen sich rechtläufig, also von Norden gesehen gegen den Uhrzeigersinn, um die Sonne. Die meisten größeren Monde und Körper rotieren ebenfalls rechtläufig. Ausnahmen unter den Planeten sind die rückläufig rotierende Venus und Uranus, dessen Rotationsachse nahezu in der Bahnebene liegt.

Innerhalb der Hill-Sphäre eines größeren Körpers können kleinere Körper ihn umkreisen. Solche Begleiter heißen Monde, Satelliten oder Trabanten. Merkur und Venus sind die einzigen mondlosen Planeten. Eine offiziell festgelegte untere Grenze, ab welcher Größe ein Körper nicht mehr als Mond, sondern etwa als Ringbestandteil gilt, gibt es nicht.

Planetenbereich und äußere Zonen

Die inneren Planeten liegen in folgenden mittleren Entfernungen von der Sonne: Merkur 57,9 Mio. km beziehungsweise 0,39 AE, Venus 108,2 Mio. km beziehungsweise 0,72 AE, Erde 149,6 Mio. km beziehungsweise 1 AE und Mars 227,9 Mio. km beziehungsweise 1,52 AE. Ihre Durchmesser liegen zwischen 4878 km und 12756 km, ihre Dichten zwischen 3,95 g/cm³ und 5,52 g/cm³. In der habitablen Zone befindet sich sicher die Erde; je nach Modell liegt auch der Mars knapp darin.

Zwischen Mars und Jupiter liegt der Asteroidengürtel. Die meisten Asteroiden sind nur wenige Kilometer groß, nur wenige erreichen einen Durchmesser von 100 km oder mehr. Ceres ist mit etwa 960 km der größte Körper des Gürtels und ein Zwergplanet. Einige Asteroiden besitzen stark elliptische Bahnen und können sogar die Merkur- oder Neptunbahn kreuzen. Die äußeren Planeten liegen in deutlich größeren Abständen: Jupiter bei 778,3 Mio. km beziehungsweise 5,2 AE, Saturn bei 1,429 Mrd. km beziehungsweise 9,53 AE, Uranus bei 2,875 Mrd. km beziehungsweise 19,2 AE und Neptun bei 4,504 Mrd. km beziehungsweise 30,1 AE. Ihre Dichten betragen zwischen 0,7 g/cm³ und 1,66 g/cm³. Zwei Drittel der nichtsolaren Masse des Systems entfallen auf Jupiter.

Jenseits der Neptunbahn wurden seit den 1990er-Jahren tausende Objekte entdeckt. Fast alle liegen 4,5–7,5 Milliarden km beziehungsweise 30–50 AE von der Sonne entfernt und bilden den Kuipergürtel. Er ist ein Reservoir für Kometen mit mittleren Umlaufperioden und enthält Zwergplaneten wie Pluto, Eris, Makemake und Haumea. Viele seiner Körper gelten als nahezu unveränderte Planetesimale, also Überreste aus der Entstehungsphase des Sonnensystems.

Der Sonnenwind reicht bis in den Kuipergürtel. Jenseits davon verlangsamt und verdichtet er sich im interstellaren Medium; die entstehende äußere Schale der Heliosphäre heißt Heliohülle. Die Heliopause, also die Grenzschicht zwischen Heliosphäre und interstellarem Medium, liegt ungefähr 120 AE von der Sonne entfernt. Bis etwa 1,5 Lichtjahre beziehungsweise 100.000 AE wird theoretisch die Oortsche Wolke angenommen. Die Gravitation vorbeiziehender Sterne kann aus ihr Körper lösen, die als langperiodische Kometen in die inneren Bereiche gelangen. Sie können dort verbleiben, auf die Sonne oder Planeten stürzen oder, besonders durch Jupiter, aus dem Sonnensystem hinauskatapultiert werden.

Ausmaße und kosmische Umgebung

Wie weit sich das Sonnensystem erstreckt, ist nicht eindeutig festgelegt. Früher wurde seine Grenze häufig mit der Heliosphäre gleichgesetzt. Transneptunische Objekte zeigen jedoch, dass auch jenseits der Heliopause Körper gravitativ an die Sonne gebunden sein können. Bei einer umfassenden Definition werden zusätzlich zum Planetenbereich der Kuipergürtel sowie die innere und äußere Oortsche Wolke einbezogen. Dann beträgt der Radius des Sonnensystems etwa 1,5 bis 1,6 Lichtjahre. Die Gesamtmasse beträgt ca. 1,989 * 10^{27} t; 99,8552 % davon entfallen auf die Sonne. Von den übrigen 0,1448 % liegen knapp 2/3 bei Jupiter und knapp 1/5 bei Saturn.

Der sonnennächste einzelne Stern ist der Rote Zwerg Proxima Centauri in etwa 4,22 Lichtjahren beziehungsweise 268.000 AE Entfernung. Er wird von Proxima Centauri b umkreist, dessen Mindestmasse ungefähr der Erdmasse entspricht und dessen Bahn in der habitablen Zone liegt. Proxima Centauri ist mit sehr großer Wahrscheinlichkeit gravitativ an das 4,34 Lichtjahre entfernte Doppelsternsystem Alpha Centauri gebunden. In der stellaren Nachbarschaft dominieren massearme rote Zwerge: Von 64 Sternen innerhalb von 5 Parsec sind 49 Sterne der Spektralklasse M. Die durchschnittliche Sternendichte beträgt dort etwa 4 Sterne pro 1000 Kubiklichtjahre, der mittlere Abstand etwa 6 Lichtjahre.

Das Sonnensystem durchquert seit etwa fünf bis zehn Millionen Jahren die Lokale Blase, eine ungefähr 200 Lichtjahre breite und senkrecht zur galaktischen Ebene etwa 600 Lichtjahre hohe Region aus sehr heißem, extrem verdünntem Gas. Innerhalb dieser Blase bewegt es sich durch die lokale interstellare Wolke, die Lokale Flocke. Sie wird voraussichtlich in 10.000 bis 20.000 Jahren wieder verlassen. Die Wolke enthält durchschnittlich 0,26 Atome pro Kubikzentimeter und hat eine Temperatur von etwa 6000 Kelvin. Die Lokale Blase entstand durch Supernovae, die in den letzten 10 bis 20 Millionen Jahren explodierten. Eine größere Blase namens Loop I liegt etwa 500 Lichtjahre entfernt, hat einen Durchmesser von etwa 1000 Lichtjahren und wird mit der Scorpius-Centaurus-Assoziation in Verbindung gebracht.

Lage in der Milchstraße

Die Sonne und ihre Begleiter gehören zur Milchstraße, einer Balkenspiralgalaxie mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren. Das Milchstraßensystem enthält mindestens 100 Milliarden, nach manchen Schätzungen bis zu 400 Milliarden Sterne. Das Sonnensystem liegt im Orionarm, einer lokalen Abzweigung zwischen dem Perseusarm und dem Sagittariusarm. Es befindet sich rund 15 Lichtjahre nördlich der galaktischen Symmetrieebene und etwa 27.000 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt.

Die Sonne umkreist das galaktische Zentrum mit rund 240 km/s. Für einen Umlauf benötigt sie etwa 210 Millionen Jahre, ein galaktisches Jahr. Zusätzlich bewegt sie sich mit 19,7 km/s in Richtung des Sonnenapex im Sternbild Herkules. Die Sonne kreuzt die Scheibenebene der Galaxis ungefähr alle 30 Millionen Jahre.

Die mittlere Bahnebene der Planeten ist stark gegenüber der galaktischen Ebene geneigt. Der Drehsinn der Milchstraßenscheibe ist von Norden gesehen im Uhrzeigersinn und damit entgegengesetzt zum Drehsinn der Planeten um die Sonne. Die Spiralstruktur der Galaxis wird häufig durch Dichtewellen erklärt, an denen Gas und Staub auflaufen und dadurch möglicherweise die Entstehung neuer Sterne angeregt wird. Vermutungen, dass solche Dichtewellen, das Pendeln der Sonne durch die Scheibenebene oder ein hypothetischer Begleiter namens Nemesis periodische Massenaussterben verursachen, gelten inzwischen als widerlegt.

Entstehung, Alter und offene Fragen

Die heute gängige Entstehungstheorie geht davon aus, dass Sonne und Planeten vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer rotierenden Wolke aus Gas und Staub hervorgingen. Das Alter des Sonnensystems wurde mittels Isotopenzerfall auf ca. 4,5682 Milliarden Jahre bestimmt, mit einer Abweichung von +200.000 bis −400.000 Jahren.

Die ursprüngliche Molekülwolke bestand zu über 99 % aus Wasserstoff und Helium sowie aus mikrometergroßen Staubteilchen. Diese enthielten unter anderem Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, andere Kohlenstoffverbindungen, Ammoniak und Siliziumverbindungen. Wasserstoff und der größte Teil des Heliums entstanden bereits beim Urknall; schwerere Elemente wurden in Sternen gebildet und durch Sternexplosionen freigesetzt. Teile der Wolke verdichteten sich wahrscheinlich durch die Druckwellen einer nahen Supernova. Ein Fragment dieser Wolke, der Sonnennebel, kollabierte unter seiner eigenen Schwerkraft.

Durch die Erhaltung des Drehimpulses verstärkte sich die Rotation des kollabierenden Nebels. Fliehkräfte formten eine rotierende Akkretionsscheibe. Fast die gesamte Materie fiel in deren Zentrum und bildete einen Protostern. Als in seinem Innern Wasserstoff zu Helium fusionierte, entstand Energie und Strahlungsdruck; dieser wirkte der Gravitation entgegen und beendete die weitere Kontraktion. Die Sonne war entstanden.

Aus der Akkretionsscheibe entwickelte sich eine protoplanetare Scheibe. Staubteilchen verklumpten durch Koagulation zu kilometergroßen Planetesimalen, die sich durch ihre Gravitation zu größeren Körpern vereinigten. Nach neueren Modellen können auch gravitative Instabilitäten solche Massekonzentrationen auslösen. Der Protojupiter störte die Bahnen anderer Planetesimale, beeinflusste ihr Wachstum und verhinderte wahrscheinlich die Bildung eines größeren Körpers zwischen Mars und Jupiter. In Sonnennähe kondensierten schwerflüchtige Stoffe; der Sonnenwind entfernte leichtflüchtige Gase. So entstanden die festen inneren Planeten. In den kälteren Außenregionen konnten Wasserstoff, Helium und Methan festgehalten werden; dort bildeten sich die äußeren Gas- und Eisriesen. Nicht eingefangene Materie wurde zu Asteroiden und Kometen. Ihre nahezu unveränderte Zusammensetzung sowie Meteoriten liefern Hinweise auf die frühe Entwicklung.

Offen sind unter anderem die Verteilung des Drehimpulses und die Neigung der Sonnenäquatorebene von etwa 7° gegenüber der mittleren Bahnebene der Planeten. Die Sonne enthält fast 99,9 % der Masse, besitzt aber nur etwa 0,5 % des Drehimpulses; der Hauptanteil steckt im Bahndrehimpuls ihrer Begleiter. Als mögliche Erklärung der Neigung werden ein früher Zwergsternbegleiter oder der Einfluss eines vorbeiziehenden Nachbarsterns diskutiert. Außerdem zeigen manche Exoplaneten Bahnen entgegen der Rotation ihres Zentralsterns, was mit dem beschriebenen einfachen Entstehungsmodell nicht vereinbar wäre. Beobachtungen protoplanetarer Scheiben mit der 2014 in Betrieb genommenen Kamera SPHERE sollen weitere Hinweise zur Planetenentstehung liefern.