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Sonnensystem

Das Sonnensystem ist das durch die Gravitation zusammengehaltene System aus Sonne und den sie umkreisenden Objekten. Es entstand vor 4,6 Milliarden Jahren durch den Gravitationskollaps einer riesigen interstellaren Molekülwolke. Der überwiegende Teil (99,86 %) der Masse des Systems befindet sich in der Sonne, der größte Teil der restlichen Masse im Planeten Jupiter. Das Planetensystem um die Sonne besteht aus acht Planeten. Die vier inneren Planeten – Merkur, Venus, Erde und Mars – sind terrestrische Planeten und bestehen hauptsächlich aus Gestein und Metall. Die vier Gasriesen des äußeren Systems sind wesentlich größer und massereicher als die terrestrischen Planeten. Die beiden größten, Jupiter und Saturn, sind Gasriesen und bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium; die beiden nächstgrößeren, Uranus und Neptun, sind Eisriesen und bestehen größtenteils aus flüchtigen Substanzen mit relativ hohen Schmelzpunkten im Vergleich zu Wasserstoff und Helium, wie Wasser, Ammoniak und Methan. Alle acht Planeten haben nahezu kreisförmige Umlaufbahnen, die nahe an der Ebene der Erdumlaufbahn, der sogenannten Ekliptik, liegen.

Es gibt eine unbekannte Anzahl kleinerer Zwergplaneten und unzählige kleine Körper im Sonnensystem, die die Sonne umkreisen. Sechs der Hauptplaneten, die sechs größten möglichen Zwergplaneten und viele der kleineren Körper werden von natürlichen Satelliten, den sogenannten Monden (nach dem Erdmond), umkreist. Zwei natürliche Satelliten, Jupiters Mond Ganymed und Saturns Mond Titan, sind größer als Merkur, der kleinste terrestrische Planet, obwohl sie weniger Masse besitzen. Jupiters Mond Kallisto ist fast genauso groß. Jeder der Gasplaneten und einige kleinere Körper sind von planetaren Ringen aus Eis, Staub und Mondchen umgeben. Der Asteroidengürtel, der zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter liegt, enthält Objekte aus Gestein, Metall und Eis. Jenseits der Neptunbahn befinden sich der Kuipergürtel und die Streuscheibe, die Ansammlungen von Objekten enthalten, die hauptsächlich aus Eis und Gestein bestehen.

In den äußeren Bereichen des Sonnensystems befindet sich eine Klasse von Kleinplaneten, die als „abgelöste Objekte“ bezeichnet werden. Es gibt erhebliche Diskussionen darüber, wie viele dieser Objekte es tatsächlich geben wird. Einige dieser Objekte sind groß genug, um unter ihrer eigenen Schwerkraft eine runde Form angenommen zu haben und werden daher als Zwergplaneten klassifiziert. Astronomen erkennen im Allgemeinen etwa neun Objekte als Zwergplaneten an: den Asteroiden Ceres, die Kuipergürtelobjekte Pluto, Orcus, Haumea, Quaoar und Makemake sowie die Streuscheibenobjekte Gonggong, Eris und Sedna. Verschiedene Populationen kleiner Körper, darunter Kometen, Zentauren und interplanetare Staubwolken, bewegen sich frei zwischen den Regionen des Sonnensystems.

Der Sonnenwind, ein Strom geladener Teilchen, der von der Sonne nach außen strömt, erzeugt in der interstellaren Materie eine blasenartige Zone, die als Heliosphäre bekannt ist. Die Heliopause ist der Punkt, an dem der Druck des Sonnenwinds dem entgegenwirkenden Druck des interstellaren Mediums entspricht; sie erstreckt sich bis zum Rand der gestreuten Scheibe. Die Oortsche Wolke, die als Ursprung langperiodischer Kometen gilt, könnte ebenfalls existieren, etwa tausendmal weiter entfernt als die Heliosphäre. Das Sonnensystem befindet sich 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt im Orionarm, der die meisten der am Nachthimmel sichtbaren Sterne enthält. Die nächstgelegenen Sterne befinden sich innerhalb der sogenannten Lokalen Blase, wobei der nächste Stern, Proxima Centauri, 4,2441 Lichtjahre entfernt ist.

Struktur und Zusammensetzung

Das Wort „solar“ bedeutet „die Sonne betreffend“ und leitet sich vom lateinischen Wort „sol“ für Sonne ab. Die Sonne ist das gravitativ dominante Element des Sonnensystems, und sein Planetensystem befindet sich in einem relativ stabilen, sich langsam entwickelnden Zustand, indem es isolierte, gravitativ gebundene Umlaufbahnen um die Sonne beschreibt.

Umlaufbahnen

Die Planeten und andere große Objekte, die die Sonne umkreisen, befinden sich nahe der Ebene der Erdumlaufbahn, der sogenannten Ekliptik. Kleinere Eisobjekte wie Kometen umkreisen die Sonne häufig in deutlich größeren Winkeln zu dieser Ebene. Die meisten Planeten des Sonnensystems besitzen eigene Sekundärsysteme, die von natürlichen Satelliten, den Monden, umkreist werden. Viele der größten natürlichen Satelliten rotieren synchron, d. h. eine Seite ist permanent dem Planeten zugewandt. Die vier Gasriesen besitzen Ringe, dünne Bänder aus winzigen Partikeln, die sie synchron umkreisen.

Durch die Entstehung des Sonnensystems umkreisen Planeten und die meisten anderen Objekte die Sonne in der gleichen Richtung, in der sich die Sonne dreht. Das heißt, gegen den Uhrzeigersinn, vom Nordpol der Erde aus betrachtet. Es gibt Ausnahmen, wie beispielsweise den Halleyschen Kometen. Die meisten größeren Monde umkreisen ihre Planeten in Rotationsrichtung (prograd), entsprechend der Planetenrotation; Neptuns Mond Triton ist der größte, der sich entgegengesetzt, also retrograd, umkreist. Die meisten größeren Objekte rotieren um ihre eigene Achse in Rotationsrichtung relativ zu ihrer Umlaufbahn, die Rotation der Venus ist jedoch retrograd.

Keplers Gesetze der Planetenbewegung beschreiben näherungsweise die Umlaufbahnen von Objekten um die Sonne. Sie besagen, dass sich jedes Objekt auf einer Ellipse bewegt, wobei die Sonne in einem Brennpunkt steht. Dadurch ändert sich der Abstand des Körpers zur Sonne im Laufe eines Jahres. Der sonnennächste Punkt eines Körpers wird Perihel, der sonnenfernste Aphel genannt. Die Planetenbahnen sind nahezu kreisförmig, viele Kometen, Asteroiden und Objekte des Kuipergürtels hingegen beschreiben stark elliptische Bahnen. Keplers Gesetze berücksichtigen lediglich den Einfluss der Sonnengravitation auf einen umlaufenden Körper, nicht aber die Gravitationskräfte zwischen verschiedenen Körpern. Auf einer menschlichen Zeitskala lassen sich diese zusätzlichen Störungen mithilfe numerischer Modelle berücksichtigen, doch das Planetensystem kann sich über Milliarden von Jahren chaotisch verändern.

Der Drehimpuls des Sonnensystems ist ein Maß für den gesamten Bahn- und Rotationsimpuls aller beweglichen Komponenten. Obwohl die Sonne massereichstes Element des Systems ist, trägt sie nur etwa 2 % zum Drehimpuls bei. Die Planeten, allen voran Jupiter, tragen aufgrund ihrer Masse, ihrer Umlaufbahn und ihrer Entfernung zur Sonne den größten Teil zum restlichen Drehimpuls bei, wobei Kometen möglicherweise einen bedeutenden Beitrag leisten.

Zusammensetzung

Die Gesamtstruktur des kartierten Sonnensystems besteht aus der Sonne, vier kleineren inneren Planeten, die von einem Gürtel aus überwiegend felsigen Asteroiden umgeben sind, und vier Gasriesen, die vom Kuipergürtel aus überwiegend eisigen Objekten umgeben sind. Astronomen unterteilen diese Struktur mitunter informell in separate Regionen. Das innere Sonnensystem umfasst die vier terrestrischen Planeten und den Asteroidengürtel. Das äußere Sonnensystem liegt jenseits der Asteroiden und umfasst die vier Gasriesen. Seit der Entdeckung des Kuipergürtels werden die äußersten Bereiche des Sonnensystems als eigenständige Region betrachtet, die die Objekte jenseits des Neptun umfasst.

Die Sonne, ein massearmer Stern, ist der Hauptbestandteil des Sonnensystems. Sie enthält 99,86 % der bekannten Masse des Systems und dominiert dessen Gravitation. Die vier größten Himmelskörper, die die Sonne umkreisen – die Gasriesen –, machen 99 % der restlichen Masse aus, wobei Jupiter und Saturn zusammen über 90 % ausmachen. Die übrigen Objekte des Sonnensystems (einschließlich der vier terrestrischen Planeten, der Zwergplaneten, Monde, Asteroiden und Kometen) machen zusammen weniger als 0,002 % der Gesamtmasse des Sonnensystems aus.

Die Sonne besteht, wie auch Jupiter und Saturn, zu etwa 98 % aus Wasserstoff und Helium. Im Sonnensystem existiert ein Zusammensetzungsgradient, der durch die Hitze und den Lichtdruck der frühen Sonne entstanden ist. Objekte in Sonnennähe, die stärker von diesen Einflüssen betroffen sind, bestehen aus Elementen mit hohen Schmelzpunkten. Objekte in größerer Entfernung von der Sonne bestehen größtenteils aus Materialien mit niedrigeren Schmelzpunkten. Die Grenze im Sonnensystem, jenseits derer sich diese flüchtigen Substanzen verbinden können, wird als Frostlinie bezeichnet und liegt etwa in der fünffachen Entfernung der Erde von der Sonne.

Die Objekte des inneren Sonnensystems bestehen größtenteils aus Gesteinsmaterialien wie Silikaten, Eisen oder Nickel. Jupiter und Saturn bestehen hauptsächlich aus Gasen mit extrem niedrigen Schmelzpunkten und hohem Dampfdruck, wie Wasserstoff, Helium und Neon. Eisarten wie Wasser, Methan, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid haben Schmelzpunkte von bis zu einigen hundert Kelvin. Sie kommen als Eis, Flüssigkeit oder Gas an verschiedenen Orten im Sonnensystem vor. Eisige Substanzen bilden den Großteil der Monde der Gasriesen sowie den größten Teil von Uranus und Neptun (den sogenannten Eisriesen) und die zahlreichen kleinen Objekte jenseits der Neptunbahn. Gase und Eisarten werden zusammenfassend als flüchtige Stoffe bezeichnet.