Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Waage für unsere kosmischen Nachbarn

25.08.2010
Zeitreihenmessungen von Pulsaren eröffnen einen neuen Weg, um Planetenmassen im Sonnensystem zu bestimmen

Eine Waage muss nicht unbedingt die Schwerkraft messen. Ein internationales Team um Forscher des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie nutzt vielmehr Radiosignale von vier Pulsaren, um Planeten unseres Sonnensystems zu wiegen, und zwar erstmals inklusive ihrer Monde und Ringsysteme. Die Forscher bestimmen die Planetenmassen dabei auf 0,03 Promille der Erdmasse oder ein Zehnmillionstel der Masse von Jupiter genau. Das entspricht zwar immer noch einem Fehler von 200 Billiarden Tonnen, dennoch lassen sich mit dem Verfahren schon jetzt die derzeit gebräuchlichen Massewerte der Planeten überprüfen. Weiter verfeinert soll die neue Planetenwaage die bekannten Massen sogar präzisieren und so die Planung von Weltraummissionen erleichtern. Vor allem aber ermöglicht es die Methode, Gravitationswellen aufzuspüren. (Astrophysical Journal, 24. August 2010)


Schematische Darstellung des Messverfahrens: Die Massen von Sonne und Planeten im Sonnensystem beeinflussen die Ankunftszeit der Pulsarsignale auf der Erde. Über die Korrektur der Zeitfehler der Pulsarsignale lassen sich die Massen der Planeten mit hoher Genauigkeit abschätzen. Bild: David Champion


Radioteleskope, mit denen die Zeitreihenmessungen der Pulsare vorgenommen wurden: Parkes-64m-Teleskop (links), Effelsberg-100m-Teleskop (Mitte), Arecibo-305m-Teleskop (rechts). Bild: CASS, MPIfR, NAIC

Gewöhnlich bestimmen Astronomen die Masse eines Planeten, indem sie den Weg eines Mondes oder einer Raumsonde um den Himmelskörper verfolgen. Wie stark dabei die Bahn gekrümmt und das Objekt beschleunigt wird, verrät ihnen, mit welcher Anziehungskraft und folglich mit welcher Masse der Planet an dem kosmischen Passanten zieht.

Nun bestimmen Forscher aus Australien, Deutschland, USA, Großbritannien und Kanada Planetenmassen mit Hilfe von Radiosignalen von Pulsaren. Pulsare sind Sterne geringen Durchmessers mit sehr hoher Dichte, die sich extrem schnell um ihre eigene Achse drehen und dabei Radiopulse abgeben, und das in einem sehr gleichmäßigen Takt. "Auf diese Weise haben wir zum ersten Mal Planeten komplett gewogen - und zwar jeweils das gesamte System inklusive aller Monde und Ringe", sagt David Champion, Forscher am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter des Forschungsteams. "Außerdem tragen wir mit der neuen unabhängigen Methode dazu bei, vorhandene Ergebnisse zu überprüfen, und unterstützen damit die Arbeit der Planetenforscher."

Das Team nutzt aus, dass Pulsare ihre Signale mit einer sehr konstanten Taktrate abgeben. Auf der Erde lässt sich dieser Takt allerdings nicht exakt messen, da sich die Erde um die Sonne dreht und sich dabei mal auf die Pulsare zu, und mal von ihnen weg bewegt. So werden die Messungen der Taktrate verzerrt, ganz so wie ein Zugreisender entgegenkommende Züge in kürzerem Abstand wahrnimmt als sie tatsächlich verkehren.

Nur mit korrekten Planetenmassen stimmt der Takt der Pulsar-Signale

Um die tatsächliche Pulsrate der Pulsare zu bestimmen, müssen die Forscher deren Verzerrung korrigieren und brauchen dafür einen Bezugspunkt. Den finden sie im Massenzentrum des Sonnensystems, dem so genannten Baryzentrum oder Rotationszentrum für alle Planeten. Sie berechnen also, wann die Pulse dort eintreffen. Dafür wiederum müssen die Astrophysiker die genaue Position des Rotationszentrums relativ zur Erde kennen. Die Position des Baryzentrums hängt von den genauen Positionen und Massen der Sonne und der Planeten ab.

In einem ersten Schritt berechnen die Astrophysiker die Lage des Rotationszentrums mit Tabellen der Planetenpositionen am Himmel, den sogenannten Ephemeriden, sowie mit den Werten für die Planetenmassen, die bereits mit anderen Methoden gemessen wurden. Nun korrigieren sie die Laufzeiten der Radiosignale, die ihre Teleskope auf der Erde registrieren, anhand dieses Wertes. Stimmt die berechnete Position des Baryzentrums nicht, treten auch in der kalkulierten Pulsrate am Baryzentrum Verzerrungen auf. Diese wiederholen sich regelmäßig, und zwar mit einem Takt, den die Umlaufperiode der Planeten um die Sonne vorgibt. Mit der Position der Planeten zueinander verändert sich nämlich auch die Lage des Rotationszentrums relativ zur Sonne. Diese Schwankungen können die Astrophysiker mit falschen Planetenmassen aber nicht richtig berechnen.

Am Muster des Fehlers erkennen die Forscher also, welcher Planet bislang für zu leicht oder schwer befunden wurde. "Wenn die Massenbestimmung für Jupiter und seine Monde falsch ist, sehen wir zum Beispiel ein Muster in den Zeitfehlern der Pulsarsignale, das sich über jeweils zwölf Jahre wiederholt", sagt Dick Manchester vom australischen Forschungsinstitut CSIRO Astronomy and Space Science (CASS). Zwölf Jahre entsprechen der Zeit eines Umlaufs von Jupiter um die Sonne. In einem iterativen Verfahren - also immer wieder neuen Rechnungen mit weiter angepassten Massewerten - korrigieren sie die Jupitermasse, bis die Pulsrate am Baryzentrum nicht mehr schwankt. Mit diesem Rückkopplungsprozess ermitteln die Astronomen die Planetenmassen. Und je mehr Pulsraten von unterschiedlichen Pulsaren sie verwenden, desto genauer werden die Werte.

In der aktuellen Arbeit nutzten die Forscher zunächst Beobachtungsdaten von insgesamt vier Pulsaren. Damit bestimmten sie die Massen der Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn jeweils inklusive ihrer Monde und Ringsysteme. Die meisten dieser Beobachtungen machten sie mit dem 64-Meter-Radioteleskop im australischen Parkes, zogen aber auch Messungen mit dem 100-Meter-Teleskop in Effelsberg sowie dem Teleskop in Arecibo auf Puerto Rico hinzu, dessen Spiegel sogar 305 Meter misst.

Messungen an weiteren Pulsaren erhöhen die Genauigkeit

Die Planetenmassen, die sie anhand dieser Daten berechneten, stimmen sehr gut mit den Werten überein, die aus Bahnen von Raumsonden ermittelt wurden. Dabei erhielten sie für das System von Jupiter und seiner sämtlichen Monde mit 9,547921(2) x 10-4 Sonnenmassen ein deutlich exakteres Resultat als die Werte, die sich anhand der Vorbeiflüge der Pioneer- und Voyager-Raumsonden ergaben. Das Ergebnis ist zwar etwas weniger genau als das der Raumsonde Galileo, stimmt aber damit innerhalb der Fehlergrenzen überein.

Bislang macht die Methode noch einen Fehler von 0,03 Promille der Erdmasse oder einem Zehnmillionstel der Jupitermasse, also 200 Billiarden Tonnen, lässt sich aber mit Messungen an weiteren Pulsaren noch verfeinern. "Mit Beobachtungen von insgesamt 20 Pulsaren über einen Zeitraum von sieben Jahren könnte man die Masse des Jupitersystems genauer bestimmen als mit jeder Raumsonde", sagt David Champion. 13 Jahre Beobachtungszeit bräuchten die Radioastronomen, um für die Saturnmasse einen genaueren Werte als den bekannten zu erhalten.

"Kurzfristig wird die Massenbestimmung mit Hilfe von Raumsonden zwar die genauesten Resultate für einzelne Planeten liefern", sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsgruppe Radioastronomische Fundamentalphysik: "Aber die Pulsarmethode ist für Planeten unverzichtbar, die noch nicht von Raumsonden besucht worden sind." Außerdem ließen sich mit ihr die kombinierten Massen von Planeten und ihren Monden bestimmen.

In erster Linie wollen die Bonner Radioastronomen und ihre Kollegen weltweit mit den genauen Pulsraten der Pulsare aber ein ganz anderes Problem der Astrophysik angehen: "Wir Astronomen benötigen die extrem genauen Zeitreihenmessungen von Pulsaren, um nach Gravitationswellen zu jagen, wie sie Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt", sagt Michael Kramer: Gravitationswellen entstehen, wenn sich das Gravitationsfeld ändert und verzerren das Raumzeit-Kontinuum. Sie sind extrem schwach, und wenn überhaupt nur nach der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher oder ähnlichen kosmischen Großereignissen nachweisbar. Auch in winzigen Verzerrungen im Takt der Pulsar-Signale, die Radioteleskope messen, sollten sie sich bemerkbar machen. "Nachweisen können wir sie aber nur, wenn wir alle potenziellen Fehlerquellen ausschalten", sagt Michael Kramer: "Also müssen wir auch die Verzerrungen korrigieren, die falsche Planetenmassen in der Pulsrate am Baryzentrum hervorrufen."

Originalveröffentlichung:

D.J. Champion, G.B. Hobbs, R.N. Manchester, R.T. Edwards, D.C. Backer, M. Bailes, N.D.R. Bhat, S. Burke Spoloar, W. Coles, P.B. Demorest, R.D. Ferdman, W.M. Folkner, A.W. Hotan, M. Kramer, A.N. Lommen, D.J. Nice, M.B. Purver, J.M. Sarkissian, I.H. Stairs, W. van Straten, J.P.W. Verbiest, D.R.B. Yardley
Measuring the mass of solar-system planets using pulsar timing
Astrophysical Journal, 24. August 2010
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. David Champion
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Tel.: +44 7831 710 456
E-Mail: davidjohnchampion@gmail.com
Dr. Norbert Wex
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Tel.: +49 228 525-503
E-Mail: wex@mpifr-bonn.mpg.de
Dr. Norbert Junkes
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Tel.: +49 228 525-399
E-Mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Sonne: Motor des Erdklimas
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

nachricht Entfesselte Magnetkraft
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie