Das Finden der Masse anderer Planeten ist schwierig und wird normalerweise durch Messen der Umlaufbahnen ihrer Monde oder von Raumfahrzeugen durchgeführt, die an ihnen vorbeifliegen. "Dies ist das erste Mal, dass jemand ganze Planetensysteme gewogen hat - Planeten mit ihren Monden und Ringen", sagte Teamleiter Dr. David Champion vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. "Und wir haben eine unabhängige Überprüfung früherer Ergebnisse durchgeführt, was für die Planetenforschung großartig ist."
Laut Champion könnte die Messung der Planetenmassen auf diese neue Weise in Daten einfließen, die für zukünftige Weltraummissionen benötigt werden. Da Masse Schwerkraft erzeugt und die Anziehungskraft eines Planeten die Umlaufbahn von allem bestimmt, was um ihn herum verläuft - sowohl die Größe der Umlaufbahn als auch die Dauer der Fertigstellung -, wird dies zu einer genaueren Navigation für zukünftige Missionen beitragen.
Die neue Methode basiert auf Korrekturen, die Astronomen an Signalen von Pulsaren vornehmen, kleinen sich drehenden Sternen, die regelmäßig Radiowellen erzeugen.
Die Erde bewegt sich um die Sonne und diese Bewegung beeinflusst genau, wann Pulsarsignale hier ankommen. Um diesen Effekt zu beseitigen, berechnen Astronomen, wann die Impulse am Massenschwerpunkt oder Schwerpunkt des Sonnensystems angekommen wären, um den alle Planeten kreisen. Da sich die Anordnung der Planeten um die Sonne ständig ändert, bewegt sich auch das Schwerpunktzentrum. Um seine Position zu bestimmen, verwenden Astronomen sowohl eine Tabelle (Ephemeride genannt), in der sich alle Planeten zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden, als auch die Werte für ihre Massen, die bereits gemessen wurden. Wenn diese Zahlen leicht falsch sind und die Position des Schwerpunkts leicht falsch ist, erscheint in den Pulsardaten ein regelmäßiges, sich wiederholendes Muster von Zeitsteuerungsfehlern.
"Wenn zum Beispiel die Masse des Jupiter und seiner Monde falsch ist, sehen wir ein Muster von Zeitfehlern, das sich über 12 Jahre wiederholt, die Zeit, die Jupiter benötigt, um die Sonne zu umkreisen", sagte Dr. Dick Manchester von CSIRO Astronomy and Space Science. Wenn jedoch die Masse des Jupiter und seiner Monde korrigiert wird, verschwinden die Zeitfehler. Dies ist der Rückkopplungsprozess, mit dem die Astronomen die Massen der Planeten bestimmt haben.
Daten von vier Pulsaren wurden verwendet, um Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn mit ihren Monden und Ringen zu wiegen. Die meisten dieser Daten wurden mit dem CSIRO-Radioteleskop Parkes in Ostaustralien aufgezeichnet, einige davon vom Arecibo-Teleskop in Puerto Rico und vom Effelsberg-Teleskop in Deutschland. Die Massen stimmten mit denen überein, die von Raumfahrzeugen gemessen wurden. Die Masse des Jupiter-Systems, .0009547921 (2) mal die Masse der Sonne, ist signifikant genauer als die vom Raumschiff Pioneer und Voyager ermittelte Masse und stimmt mit dem Wert des Raumfahrzeugs Galileo überein, ist jedoch weniger genau als dieser.
Die neue Messtechnik reagiert empfindlich auf eine Massendifferenz von zweihunderttausend Millionen Millionen Tonnen - nur 0,003% der Masse der Erde und ein Zehnmillionstel der Jupitermasse.
"Kurzfristig werden Raumfahrzeuge weiterhin die genauesten Messungen für einzelne Planeten durchführen, aber die Pulsartechnik ist die beste für Planeten, die nicht von Raumfahrzeugen besucht werden, und für die Messung der kombinierten Massen von Planeten und ihren Monden", so CSIROs Dr. George Hobbs, ein weiteres Mitglied des Forschungsteams.
Das Wiederholen der Messungen würde die Werte noch weiter verbessern. Wenn Astronomen über sieben Jahre einen Satz von 20 Pulsaren beobachten würden, würden sie Jupiter genauer wiegen als Raumschiffe. Das Gleiche tun für
Saturn würde 13 Jahre dauern.
"Astronomen brauchen dieses genaue Timing, weil sie Pulsare verwenden, um nach Gravitationswellen zu suchen, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt werden", sagte Professor Michael Kramer, Leiter der Forschungsgruppe "Grundlegende Physik in der Radioastronomie" am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Das Finden dieser Wellen hängt davon ab, ob winzige Änderungen im Timing von Pulsarsignalen erkannt werden. Daher müssen alle anderen Ursachen für Timing-Fehler berücksichtigt werden, einschließlich der Spuren von Planeten des Sonnensystems."
An diesem Projekt sind Astronomen aus Australien, Deutschland, Großbritannien, Kanada und den USA beteiligt.
Papier: Messung der Masse von Planeten des Sonnensystems mithilfe des Pulsar-Timings
Quelle: Max Planck
