Erklärer: Alles über Umlaufbahnen | Wissenschaftsnachrichten für Studenten

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Schon in der Antike wussten Sterngucker, dass sich Planeten von Sternen unterscheiden. Während Sterne im Allgemeinen immer an der gleichen Stelle am Nachthimmel auftauchten, wechselten Planeten ihre Position von Nacht zu Nacht. Sie schienen sich über den Sternenhintergrund zu bewegen. Manchmal schienen sich Planeten sogar rückwärts zu bewegen. (Dieses Verhalten ist als rückläufige Bewegung bekannt.) Solche seltsamen Bewegungen am Himmel waren schwer zu erklären.

Dann, in den 1600er Jahren, identifizierte Johannes Kepler mathematische Muster in den Bewegungen der Planeten. Astronomen vor ihm hatten gewusst, dass die Planeten die Sonne umkreisten oder sich um sie bewegten. Aber Kepler war der erste, der diese Umlaufbahnen – richtig – mit Mathematik beschrieb. Als würde er ein Puzzle zusammensetzen, sah Kepler, wie die Datenteile zusammenpassten. Er fasste die Mathematik der Orbitalbewegung mit drei Gesetzen zusammen:

  1. Die Bahn eines Planeten um die Sonne ist eine Ellipse, kein Kreis. Eine Ellipse ist eine ovale Form. Das bedeutet, dass ein Planet manchmal näher an der Sonne ist als zu anderen Zeiten.
  2. Die Geschwindigkeit eines Planeten ändert sich, wenn er sich entlang dieser Bahn bewegt. Der Planet wird schneller, wenn er der Sonne am nächsten kommt, und langsamer, wenn er sich weiter von der Sonne entfernt.
  3. Jeder Planet umkreist die Sonne mit einer anderen Geschwindigkeit. Die weiter entfernten bewegen sich langsamer als die näher am Stern.

Kepler konnte es immer noch nicht erklären warum Planeten folgen elliptischen Bahnen und nicht kreisförmigen. Aber seine Gesetze konnten die Positionen von Planeten mit unglaublicher Genauigkeit vorhersagen. Dann, etwa 50 Jahre später, erklärte der Physiker Isaac Newton den Mechanismus für warum Keplers Gesetze funktionierten: Schwerkraft. Die Schwerkraft zieht Objekte im Weltraum aneinander an – was dazu führt, dass sich die Bewegung eines Objekts ständig in Richtung eines anderen biegt.

Im ganzen Kosmos umkreisen sich alle möglichen Himmelsobjekte. Monde und Raumfahrzeuge umkreisen Planeten. Kometen und Asteroiden umkreisen die Sonne – sogar andere Planeten. Unsere Sonne umkreist das Zentrum unserer Galaxie, die Milchstraße. Auch Galaxien umkreisen einander. Keplers Gesetze, die Umlaufbahnen beschreiben, gelten für all diese Objekte im ganzen Universum.

Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf jedes der Kepler-Gesetze werfen.

Umlaufbahnen, Umlaufbahnen überall. Dieses Bild zeigt die Umlaufbahnen von 2.200 potenziell gefährlichen Asteroiden, die die Sonne umkreisen. Die Umlaufbahn des binären Asteroiden Didymos wird durch ein dünnes weißes Oval angezeigt, und die Umlaufbahn der Erde ist der dicke weiße Pfad. Die Umlaufbahnen von Merkur, Venus und Mars sind ebenfalls beschriftet.Zentrum für erdnahe Objektstudien, NASA/JPL-Caltech

Keplers erstes Gesetz: Ellipsen

Um zu beschreiben, wie oval eine Ellipse ist, verwenden Wissenschaftler das Wort Exzentrizität (Ek-sen-TRIS-sih-tee). Diese Exzentrizität ist eine Zahl zwischen 0 und 1. Ein perfekter Kreis hat eine Exzentrizität von 0. Umlaufbahnen mit Exzentrizitäten näher an 1 sind wirklich ausgedehnte Ovale.

Die Umlaufbahn des Mondes um die Erde hat eine Exzentrizität von 0,055. Das ist fast ein perfekter Kreis. Kometen haben sehr exzentrische Bahnen. Der Halleysche Komet, der alle 75 Jahre an der Erde vorbeisaust, hat eine Orbitalexzentrizität von 0,967.

(Es ist möglich, dass die Bewegung eines Objekts eine Exzentrizität größer als 1 hat. Aber eine so hohe Exzentrizität beschreibt ein Objekt, das in einer weiten U-Form um ein anderes herumpeitscht – um niemals zurückzukehren. Streng genommen würde es das Objekt also nicht umkreisen sein Pfad war umgebogen.)

ein animiertes Bild, das zeigt, wie Geschwindigkeit und Bahnform zusammenhängen
Diese Animation zeigt, wie die Geschwindigkeit eines Objekts davon abhängt, wie oval seine Umlaufbahn ist.Phoenix7777/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Ellipsen sind sehr wichtig für die Planung der Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs. Wenn Sie ein Raumschiff zum Mars schicken möchten, müssen Sie daran denken, dass das Raumschiff von der Erde aus startet. Das mag zunächst albern klingen. Aber wenn Sie eine Rakete starten, folgt sie natürlich der Ellipse der Erdumlaufbahn um die Sonne. Um den Mars zu erreichen, muss die elliptische Bahn des Raumfahrzeugs um die Sonne geändert werden, um sich der Umlaufbahn des Mars anzupassen.

Mit sehr komplexer Mathematik – dieser berühmten „Raketenwissenschaft“ – können Wissenschaftler planen, wie schnell und wie hoch eine Rakete sein muss, um ein Raumschiff zu starten. Sobald sich das Raumschiff in der Umlaufbahn um die Erde befindet, erweitert ein separater Satz kleinerer Triebwerke langsam die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs um die Sonne. Bei sorgfältiger Planung wird die neue Orbitallipse des Raumfahrzeugs genau zum richtigen Zeitpunkt mit der des Mars übereinstimmen. Dadurch kann das Raumschiff den Roten Planeten erreichen.

eine Animation, die zeigt, wie die Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs seine Form ändern muss, wenn es sich von der Erde zum Mars bewegt
Wenn ein Raumschiff seine Umlaufbahn ändert – etwa wenn es sich von einer Umlaufbahn um die Erde zu einer bewegt, die es um den Mars herumführt (wie in dieser Abbildung) – müssen seine Triebwerke die Form seiner elliptischen Bahn ändern. NASA/JPL

Keplers zweites Gesetz: Geschwindigkeitsänderung

Der Punkt, an dem die Umlaufbahn eines Planeten der Sonne am nächsten kommt, ist seine Perihel. Der Begriff stammt aus dem Griechischen prooder in der Nähe, und heliosoder Sonne.

Die Erde erreicht Anfang Januar ihr Perihel. (Dies mag für Menschen auf der Nordhalbkugel seltsam erscheinen, die den Winter im Januar erleben. Aber die Entfernung der Erde von der Sonne ist nicht die Ursache für unsere Jahreszeiten. Das liegt an der Neigung der Rotationsachse der Erde.) Am Perihel bewegt sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn am schnellsten, etwa 30 Kilometer (19 Meilen) pro Sekunde. Anfang Juli ist die Umlaufbahn der Erde am weitesten von der Sonne entfernt. Dann bewegt sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn am langsamsten – etwa 29 Kilometer (18 Meilen) pro Sekunde.

Planeten sind nicht die einzigen umlaufenden Objekte, die auf diese Weise beschleunigen und verlangsamen. Immer wenn sich etwas im Orbit dem Objekt nähert, das es umkreist, spürt es eine stärkere Anziehungskraft. Infolgedessen wird es beschleunigt.

Wissenschaftler versuchen, diesen zusätzlichen Schub zu nutzen, wenn sie Raumschiffe zu anderen Planeten starten. Beispielsweise könnte eine zum Jupiter geschickte Sonde unterwegs am Mars vorbeifliegen. Wenn sich das Raumschiff dem Mars nähert, beschleunigt die Schwerkraft des Planeten die Sonde. Dieser Gravitationsschub schleudert das Raumschiff viel schneller in Richtung Jupiter, als es alleine reisen würde. Dies wird als Schleudereffekt bezeichnet. Durch die Verwendung kann viel Kraftstoff gespart werden. Die Schwerkraft übernimmt einen Teil der Arbeit, sodass die Motoren weniger leisten müssen.

Keplers drittes Gesetz: Entfernung und Geschwindigkeit

In einer durchschnittlichen Entfernung von 4,5 Milliarden Kilometern (2,8 Milliarden Meilen) ist die Anziehungskraft der Sonne auf Neptun stark genug, um den Planeten in der Umlaufbahn zu halten. Aber es ist viel schwächer als der Sog der Sonne auf der Erde, die nur 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt ist. Neptun bewegt sich also langsamer auf seiner Umlaufbahn als die Erde. Es kreuzt mit etwa 5 Kilometern pro Sekunde um die Sonne. Die Erde rast mit etwa 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne.

Da weiter entfernte Planeten langsamer um breitere Umlaufbahnen reisen, brauchen sie viel länger, um eine Umlaufbahn zu absolvieren. Diese Zeitspanne wird als Jahr bezeichnet. Auf Neptun dauert es etwa 60.000 Erdentage. Auf der Erde, viel näher an der Sonne, ist ein Jahr nur etwas mehr als 365 Tage lang. Und Merkur, der sonnennächste Planet, beendet alle 88 Erdentage sein eigenes Jahr.

Diese Beziehung zwischen der Entfernung eines umlaufenden Objekts und seiner Geschwindigkeit wirkt sich darauf aus, wie schnell Satelliten um die Erde herumzoomen. Die meisten Satelliten – einschließlich der Internationalen Raumstation – umkreisen etwa 300 bis 800 Kilometer (200 bis 500 Meilen) über der Erdoberfläche. Diese niedrig fliegenden Satelliten absolvieren etwa alle 90 Minuten eine Umlaufbahn.

Einige sehr hohe Umlaufbahnen – etwa 35.000 Kilometer (20.000 Meilen) über dem Boden – bewirken, dass sich Satelliten langsamer bewegen. Tatsächlich bewegen sich diese Satelliten langsam genug, um mit der Geschwindigkeit der Erdrotation mitzuhalten. Diese Handwerker sind in geosynchron (Gee-oh-SIN-kron-ous) Umlaufbahn. Da sie scheinbar still über einem einzelnen Land oder einer einzelnen Region stehen, werden diese Satelliten oft verwendet, um das Wetter zu verfolgen oder die Kommunikation weiterzuleiten.

Über Kollisionen und „Parklücken“.

Der Weltraum mag riesig sein, aber alles darin ist immer in Bewegung. Gelegentlich kreuzen sich zwei Bahnen. Und das kann zu Kollisionen führen.

Einige Orte sind vollgepackt mit Objekten auf sich kreuzenden Umlaufbahnen. Betrachten Sie all den Weltraumschrott, der die Erde umkreist. Diese Trümmerteile kollidieren ständig miteinander – und gelegentlich mit wichtigen Raumfahrzeugen. Die Vorhersage, wohin sich potenziell gefährliche Trümmerteile in diesem Schwarm bewegen, kann ziemlich komplex sein. Aber es lohnt sich, wenn Wissenschaftler eine Kollision vorhersehen und ein Raumschiff aus dem Weg räumen können.

ein Diagramm, das zeigt, wo sich Lagrange-Punkte befinden
Dieses Diagramm zeigt, wo sich alle fünf Lagrange-Punkte für ein Raumschiff befinden, das im Sonne-Erde-System kreist. An jedem dieser Punkte bleibt das Raumschiff an Ort und Stelle, ohne dass es seine Triebwerke viel zünden muss. (Der kleine weiße Kreis um die Erde ist der Mond in seiner Umlaufbahn.) Beachten Sie, dass die Entfernungen hier nicht maßstabsgetreu sind. NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Manchmal ist das Ziel einer potenziellen Kollision möglicherweise nicht in der Lage, seinen Weg zu ändern. Stellen Sie sich einen Meteor oder einen anderen Weltraumfelsen vor, dessen Umlaufbahn ihn auf Kollisionskurs mit der Erde bringen könnte. Wenn wir Glück haben, verbrennt das ankommende Gestein in der Erdatmosphäre. Aber wenn der Felsbrocken zu groß ist, um sich auf seinem Weg durch die Luft vollständig aufzulösen, könnte er auf die Erde krachen. Und das könnte sich als katastrophal herausstellen – genau wie für die Dinosaurier vor 66 Millionen Jahren. Um diesen Problemen vorzubeugen, untersuchen Wissenschaftler, wie die Umlaufbahn der ankommenden Weltraumfelsen umgelenkt werden kann. Das erfordert eine besonders herausfordernde Anzahl von Orbitalberechnungen.

Die Rettung von Satelliten – und möglicherweise die Abwehr der Apokalypse – sind nicht die einzigen Gründe, Umlaufbahnen zu verstehen.

In den 1700er Jahren identifizierte der Mathematiker Joseph-Louis Lagrange eine spezielle Gruppe von Punkten im Weltraum um die Sonne und einen bestimmten Planeten. An diesen Punkten findet die Anziehungskraft der Sonne und des Planeten ein Gleichgewicht. Infolgedessen kann ein an dieser Stelle geparktes Raumschiff dort bleiben, ohne viel Treibstoff zu verbrauchen. Heute werden diese als Lagrange-Punkte bezeichnet.

Einer dieser Punkte, bekannt als L2, ist besonders nützlich für Weltraumteleskope, die sehr kalt bleiben müssen. Das neue James Webb Space Telescope, kurz JWST, macht sich das zunutze.

JWST umkreist L2 und kann sowohl von der Erde als auch von der Sonne weg zeigen. Dadurch kann das Teleskop überall im Weltraum Beobachtungen machen. Und da L2 etwa 1,5 Millionen Kilometer (1 Million Meilen) von der Erde entfernt ist, ist es sowohl von der Erde als auch von der Sonne weit genug entfernt, um die Instrumente von JWST extrem kühl zu halten. Aber L2 ermöglicht es JWST auch, in ständiger Kommunikation mit dem Boden zu bleiben. Als JWST umkreist die Sonne bei L2es wird immer die gleiche Entfernung von der Erde haben – so kann das Teleskop seine atemberaubende Aussicht nach Hause senden, während es ins Universum blickt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop oder JWST umkreist die Sonne. In dieser Umlaufbahn bleibt das Teleskop in einem konstanten Abstand von 1,5 Millionen Kilometern (1 Million Meilen) von der Erde. Diese Animation beginnt mit der Darstellung der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs, wie sie von oberhalb der Ebene des Sonnensystems aus gesehen wird. Dann ändert sich die Perspektive, um den Weg von JWST direkt hinter der Erdumlaufbahn zu zeigen.