Unsere seltsamen Nachbarn, Teil 3:
Psyche

Der Asteroid Psyche ist nicht wegen seiner Größe von herausragender Bedeutung, sondern aufgrund seiner Beschaffenheit – und möglicherweise auch wegen der Umstände seines Entstehens.

Zwischen der Mars- und der Jupiterbahn umkreisen zahllose Körper die Sonne, deren Größe von etwa einem Meter bis zu ungefähr 1000 Kilometern – im Fall Zwergplaneten Ceres – reicht. Etwa 7000 dieser Asteroiden sind heute bekannt. Einer der faszinierendsten unter ihnen trägt den Namen „16 Psyche“ (die Zahl 16 bedeutet, dass es sich um den 16. entdeckten Kleinplaneten handelt).

Psyche ist ungefähr 2,5 bis 3,3 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt (eine Astronomische Einheit ist der mittlere Abstand der Erde zur Sonne) und braucht ungefähr fünf Erdjahre, um eine Umlaufbahn um die Sonne zu vollenden. Der größte Durchmesser des kartoffelförmigen Körpers beträgt 279 Kilometer. An einer anderen Stelle ist er nur 189 Kilometer dick. Er dreht sich in etwas mehr als vier Stunden um die eigene Achse. Trotz seiner nicht gerade herausragenden Größe vereinigt der Asteroid ungefähr ein Prozent der Masse des gesamten Asteroidengürtels in seinem unförmigen Körper.

Grafische Darstellung des Asteroidenrings sowie der Umlaufbahnen von Psyche, Mars und Erde um die Sonne.
Außerhalb der Marsbahn umkreisen unzählige Kleinkörper die Sonne. Innerhalb dieses Gürtels zieht auch der Asteroid Psyche seine Bahn um das Zentralgestirn. (Bild: A. Mößmer)

Ein Metallkörper

Im Gegensatz zu den meisten anderen Asteroiden, die felsige oder eisige Körper sind, handelt es sich bei Psyche um einen Asteroiden des M-Typs. Das heißt, dass er metallisch ist und wahrscheinlich, ähnlich wie der Erdkern, hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht. Möglicherweise war Psyche einst tatsächlich der Kern eines Planeten, der etwa so groß wie der Mars war. Einige Wissenschaftler spekulieren, dass die felsigen Außenschichten dieses Planeten aufgrund einer Reihe gewaltsamer Kollisionen vor Milliarden von Jahren verloren gingen.

Eine Psyche-Mission

Aufgrund seiner Beschaffenheit ist Psyche für die Forschung besonders interessant. Tief im Inneren der felsigen terrestrischen Planeten – einschließlich der Erde – vermuten die Wissenschaftler einen Metallkern, der jedoch wegen der felsigen Mäntel und Krusten der Planeten nicht erreichbar ist. Psyche würde eine einzigartige Möglichkeit bieten, das Innere eines ehemaligen Planeten direkt zu untersuchen – falls die Vermutung der Wissenschaflter zutrifft, dass es sich um einen ehemaligen Planetenkern handelt. Zumindest könnte man aber Erkenntnisse über das Entstehen von Asteroiden gewinnen.

Die NASA plant deshalb eine Psyche-Mission, die im August 2022 starten und Anfang 2026 nach einer Schwerkraftunterstützung durch den Mars im Jahr 2023 beim Asteroiden eintreffen soll. Die Sonde soll den Asteroiden über 21 Monate lang umkreisen und mit verschiedenen Instrumenten Messungen vornehmen. Die Forschungsreise wird die erste Mission sein, die eine Welt aus Metall und nicht aus Fels, Staub und Eis untersucht.

Künstlerische Darstellung der Sonde, die 2023 den Asteroiden Psyche erreichen soll.
Eine Sonde der NASA soll 2023 Psyche erreichen und Genaueres über die Beschaffenheit des Asteroiden herausfinden. (Bild: NASA/JPL-Caltech)

Wechselwirkung: Wie Ebbe und Flut entstehen

Die Erde besitzt im Vergleich zu anderen Planeten einen großen Begleiter. Die Gravitation des Mondes erzeugt auf der Erde Gezeiten, die sich wiederum auf das Leben auf unserem Planeten auswirken.

Die Gezeiten spielten wahrscheinlich eine bedeutende Rolle bei der Evolution des Lebens auf der Erde. Das Meer überflutete regelmäßig Küstenbereiche und zog sich ebenso periodisch wieder zurück. Dabei entstanden auf dem Land Pfützen, in denen Meeresbewohner gestrandet waren. Diese Umgebung war vermutlich dafür verantwortlich, dass sich im Laufe der Zeit Lebewesen aus dem Meer an die Bedingungen auf dem Land anpassen konnten.

Seit Menschen an den Küsten leben, kennen sie auch Ebbe und Flut. Ihren Beobachtungen konnte die Rolle des Mondes dabei nicht entgangen sein, und spätestens seit Isaac Newton weiß man, dass Objekte eine Anziehungskraft aufeinander ausüben. Von daher war es nur noch ein kleiner Schritt zu der Erkenntnis, dass der Mond das Wasser in seine Richtung zieht.

Bild von Mont-Saint-Michel bei Ebbe
Mont-Saint-Michel vor der Küste der Normandie. Bei Ebbe kann die Insel zu Fuß durch das Watt erreicht werden. (Bild: A. Mößmer)

Die Gezeiten wirken sich jedoch auf die gesamte Erde aus – sowohl auf das Land als auch auf die Ozeane. Anders als das Wasser kann der feste Boden aber nicht zum Punkt der größten Anziehungskraft des Mondes fließen. Trotzdem ist auch die Gezeitenwirkung auf das Land messbar. Es steigt und fällt um mehrere Zentimeter.

Die andere Seite

Soweit so gut. Wenn man weiß, dass nicht nur die Erde mit ihrer Gravitation den Mond in der Umlaufbahn hält, sondern sich auch die Anziehungskraft des Erdtrabanten auf den Planeten auswirkt, ist es einleuchtend, dass der Meeresspiegel auf einer Seite der Erde steigt. Aber damit ist noch nicht alles erklärt, denn auf der anderen Seite der Erde, die dem Mond abgewandt ist, häuft sich ebenfalls das Wasser an. Wie lässt sich dieses Phänomen erklären?

Es heißt zwar, dass der Mond um die Erde kreist. Die gegenseitige Anziehungskraft der beiden Körper bewirkt aber, dass sich sowohl die Erde als auch ihr Begleiter um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Dieser Punkt ist etwa um 4700 Kilometer vom Zentrum der Erde versetzt. Die Bewegung der beiden Körper um diesen Schwerpunkt erzeugt eine Zentrifugalkraft. Auf der mondabgewandten Seite der Erde ist nicht nur die Anziehungskraft des Trabanten am schwächsten, dort ist auch die Zentrifugalkraft am stärksten. Die Folge ist, dass sich auch dort Wasser anhäuft, allerdings nicht so viel wie auf der dem Mond zugewandten Seite.

Die Grafik zeigt die Erde und den Mond mit dem gemeinsamen Schwerpunkt.
Der Mond und die Erde drehen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Auf der dem Mond zugewandten Seite der Erde häuft sich Wasser wegen der Gravitation des Erdbegleiters an. Auf der anderen Seite entsteht die Flut durch die Zentrifugalkraft. (Bild: A. Mößmer)

Noch komplizierter

Die Sache wird noch komplexer, wenn man andere Einflüsse berücksichtigt. Der Mond und die Erde sind im Vergleich zur Sonne kleine Zwerge. Die Gravitation der Sonne wirkt sich deshalb ebenfalls auf die Gezeiten aus. Allerdings ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne bedeutend größer als der Abstand zum Mond. Die Gezeitenwirkung ist deshalb geringen. Trotzdem: Wenn sich Erde, Mond und Sonne aneinander reihen, – was zu Zeiten von Vollmond oder Neumond der Fall ist – verstärken sich die Mond- und Sonnenfluten gegenseitig und führen zu extremeren Gezeiten, den sogenannten Springfluten. Wenn Mond- und Sonnenflut gegeneinander wirken, entstehen ungewöhnlich kleine Gezeiten, sogenannte Nipptiden.

Es gibt noch andere Einflüsse auf die Gezeiten. Wind- und Wettermuster können ebenfalls den Wasserstand beeinflussen. Starke Offshore-Winde können das Wasser von den Küsten entfernen und die Ebbe verstärken. Onshore-Winde können dagegen das Wasser an das Ufer drücken, wodurch die Ebbe weniger auffällt. Hochdruck-Wettersysteme können den Meeresspiegel senken und zu niedrigeren Gezeiten führen. Niedrigdrucksysteme – hervorgerufen durch starke Stürme und Orkane – können Gezeiten verursachen, die viel höher sind als vorhergesagt.

Schließlich sind es auch noch die geografischen Gegebenheiten, die eine Rolle bei der Stärke von Ebbe und Flut spielen. So kann zum Beispiel die Form von Buchten und Flussmündungen die Intensität der Gezeiten erhöhen oder verringern.

Kernverschmelzung: Wie die Sonne Energie erzeugt

Verglichen mit der Sonne sind alle Planeten unseres Sonnensystems nur Zwerge. 99,8 Prozent der Masse des Sonnensystems befinden sich im Zentralgestirn. Aber die Sonne ist nicht nur wegen seiner Größe von so herausragender Bedeutung, wir hängen in vielfacher Hinsicht von ihr ab. Sie hält mit ihrer Gravitation die Planeten in ihren Bahnen, und sie liefert die Energie und Wärme, die das Lebens auf der Erde möglich machen. Für unsere Vorfahren in der vorwissenschaftlichen Zeit war die Sonne ein Lampe oder ein Feuer am Firmament. Aber warum leuchtet die Sonne tatsächlich?

Im 19. Jahrhundert begann man mit einem größeren wissenschaftlichen Hintergrundwissen Spekulationen anzustellen. Julius Robert Mayer (1814 – 1878) vermutete, dass Meteore oder Meteoriten für die Hitze auf der Sonne verantwortlich waren. Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) und später der als Lord Kelvin bekannte William Thomson (1824 – 1907) glaubten, dass die enorme Schwerkraft für die Aufheizung des Riesenkörpers verantwortlich war. Der Physiker Hans Albrecht Bethe (1906 – 2005) lieferte 1939 die richtige Erklärung für die Energieerzeugung in der Sonne und bekam 1967 den Nobelpreis dafür: Die Ursache ist eine Fusion von Atomkernen.

Allerdings dauerte es noch eine Zeit lang, bis sich diese wissenschaftliche Erkenntnis in der breiteren Bevölkerung durchsetzte. Dem Autor dieses Artikels wurde in der Schule noch erzählt, die Sonne sei „wie ein riesiger Kohlehaufen“. (Was nicht unbedingt für ein hohes Alter des Verfassers spricht, sondern eher mit der mangelnden Bildung mancher Lehrer zusammenhängt.)

Die Sonne ist ein Ball aus Plasma. In seinem Kern erreicht die Temperatur 15 Millionen Grad Celsius. Auf der Oberfläche sind es dagegen nur etwa 5600 Grad Celsius. (Bild: NASA)

Die Ausgangssituation

Die Gravitation spielt jedoch auch eine Rolle. Nach dem Urknall waren zunächst die einzigen Elemente im Universum Wasserstoff und Helium. Wasserstoff ist das einfachste aller Elemente. Ein Wasserstoffatom besteht nur aus einem Proton im Inneren und einem Elektron, das um den Kern kreist. Ein Heliumkern setzt sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen, und zwei Elektronen umkreisen ihn. Die Gravitation sorgte dafür, dass sich die Materie im Universum zusammenzog und Sterne, Planeten und andere Körper bildete. Die Sonne besteht ungefähr zu drei Viertel aus Wasserstoff und etwa ein Viertel aus Helium. Die paar Prozent schwerere Elemente, die ebenfalls vorhanden sind, wurden ursprünglich in massereicheren Sternen erzeugt und durch Supernovae im Weltraum verteilt.

Bild eines Wasserstoff- und eines Heliumatoms
Das Wasserstoffatom (links) besteht nur aus einem Proton und einem Elektron, das den Kern umkreist. Im Kern des Heliumatoms (rechts) befinden sich zwei Protonen (blau) und zwei Neutronen (gelb). Zwei Elektronen bilden die Schale des Atoms. (Bild: A. Mößmer)

Im Sonneninneren erfahren die Atome eine Veränderung: Die Hitze und der Druck führen dazu, dass sich die Atomkerne und Elektronen trennen und unabhängig voneinander herumschwirren. Dieser Zustand der Materie wird als Plasma bezeichnet. Dieses Plasma ist so heiß, dass die energiereichsten geladenen Teilchen der Schwerkraft der Sonne entweichen und in den Weltraum fliegen können. Man bezeichnet diesen Plasmastrom als „Sonnenwind“, weil er von der Sonne wegführt und mit den Magnetfeldern und Atmosphären der Planeten interagiert.

Bild frei schwebender Atomkerne und Elektronen in einem Plasma

In einem Plasma sind die Atomkerne und die Elektronen nicht aneinander gebunden. (Bild: A. Mößmer)

Protonenfusion

In dem Sonnenplasma geschieht es ab und zu, dass zwei Wasserstoffprotonen – das heißt einzelne Protonen – zusammenstoßen und sich vereinigen. Bei dieser Fusion entsteht ein neuer Wasserstoffkern, der aus einem Proton und einem Neutron besteht – Deuterium genannt. Möglicherweise spielt dabei als Zwischenstufe ein sogenanntes Diproton (auch Helium-2 genannt) eine Rolle. Dieses Teilchen setzt sich aus zwei Protonen zusammen, ist jedoch sehr instabil und zerfällt meist wieder in zwei einzelne Protonen. Auf jeden Fall hat das Entstehen des Deuteriums zur Folge, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei ein Positron (ein Elektron mit positiver Ladung) sowie ein Neutrino (ein neutrales kleines Teilchen) entstehen und davonfliegen.

Bild der Fusion von zwei Protonen zu einem Deuterium-Kern.
Zwei Protonen (links, blau) verschmelzen miteinander (Mitte). Das Ergebnis ist ein Kern mit einem Proton und einen Neutron (rechts, blau). Ein Neutrino (oben, gelb) und ein Positron (unten, blau) entweichen. (Bild: A. Mößmer)

Neues Helium

Ein weiterer Schritt in dem Fusionsprozess im Sonneninneren ist die Verschmelzung eines Deuteriumkerns mit einem Proton. Das daraus resultierende Gebilde – Helium-3 genannt – besteht folglich aus zwei Protonen und einem Neutron. Bei der Fusion wird ein Gammaquant (ein Lichtteilchen mit sehr hoher Energie) abgegeben.

Das Bild zeigt die Fusion eines Protons und eines Deuterium-Kerns zu Helium-3.
Beim Entstehen von Helium-3 fusionieren ein Proton (links oben) und ein Deuterium-Kern (links unten) zu einem Kern mit zwei Protonen und einem Neutron (rechts). Dabei wir ein Gammaquant abgegeben (hier mit dem griechischen Buchstaben γ eingezeichnet). (Bild: A. Mößmer)

Dieses Helium-3 kann nun mit anderem Helium-3 fusionieren. Dabei gehen jeweils zwei Protonen verloren, sodass die daraus resultierenden Kerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Beim Ergebnis der Verschmelzung handelt es sich um Helium-4.

Bild von der Verschmelzung zweier Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern
Zwei Helium-3-Kerne (links) können zu einem Helium-4-Kern (rechts) verschmelzen. Dabei werden zwei Protonen abgegeben. (Bild: A. Mößmer)

Über einen Umweg kann eine weitere Helium-4-Erzeugung stattfinden. Dabei verbindet sich ein Helium-3-Kern mit einem bereits existierenden Helium-4-Kern zu einem Beryllium-7-Kern (vier Protonen und drei Neutronen) und gibt dabei ein Gammaquant ab. Dieser Kern nimmt ein Elektron auf und zerfällt zu Lithium-7 (drei Protonen und vier Neutronen), wobei ein Neutrino davonfliegt. Das Lithium-7 kann wiederum mit einem freien Proton fusionieren und sich dadurch zu Beryllium-8 (vier Protonen und vier Neutronen) verwandeln. Der Zerfall eines Beryllium-8-Kerns führt dann zu zwei Helium-4-Kernen.

Ein Helium-3-Kern (links oben) und ein Helium-4-Kern (links unten) verschmelzen zu einem Beryllium-Kern mit drei Protonen und vier Neutronen (Mitte). Dabei wird ein Gammaquant abgegeben. Das Betyllium-7 nimmt wiederum ein Elektron auf und gibt ein Neutrino ab. Das Ergebnis ist ein Lithium-7-Kern mit vier Protonen und drei Neutronen (rechts). (Bild: A. Mößmer)
Ein Lithium-7-Kern (links oben) kann sich mit einem freien Proton (links unten) vereinigen. Daraus entsteht ein Beryllium-8-Kern, der in zwei Helium-4-Kerne zerfällt (rechts). (Bild: A. Mößmer)

Es gibt noch weitere Fusionsketten, die seltener als die hier beschriebenen sind.

Woher kommt nun das Sonnenlicht?

Von den Teilchen, die bei den Verschmelzungsvorgängen in der Sonne ausgestoßen werden, erreichen nur Neutrinos die Erde direkt. Die Neutrinos zeichnen dadurch aus, dass sie eine sehr kleine Masse besitzen und kaum mit der anderen Materie wechselwirken. Dadurch ist es ihnen ein Leichtes, der Sonne zu entkommen.

Die anderen Teilchen müssen sich dagegen durch die Plasmaschichten der Sonne kämpfen, was nicht nur lange dauert, sondern auch die Teilchen selbst verändert. Ein Positron (positive Ladung) und ein Elektron (negative Ladung) können sich gegenseitig auslöschen und dabei Gammastrahlen erzeugen. Gammastrahlen verwandeln sich wiederum durch die Kollision mit anderen Teilchen in Photonen mit niedrigerer Energie, bevor sie die Sonnenoberfläche erreichen und in den Weltraum emittiert werden. Die Sonne strahlt deswegen keine Gammastrahlen aus – außer durch Sonneneruptionen. Das Resultat der Energie und Hitze, die im Inneren durch die Fusionsvorgänge erzeugt werden, ist die Strahlung der Sonne in Form von Röntgenstrahlen, ultraviolettem und sichtbarem Licht, Infrarot- und Radiowellen.