Definition von Planeten
Trotz der Erklärung der IAU sind einige Kritiker nicht überzeugt. Die Definition wird von einigen als willkürlich und verwirrend angesehen. Eine Reihe von Befürwortern des Pluto als Planet, insbesondere Alan Stern, Leiter der NASA-Mission New Horizons zum Pluto, haben eine Petition unter Astronomen in Umlauf gebracht, um die Definition zu ändern. Sterns Behauptung ist, dass, da weniger als 5 Prozent der Astronomen dafür gestimmt haben, die Entscheidung nicht repräsentativ für die gesamte astronomische Gemeinschaft sei. Selbst wenn man diese Kontroverse ausklammert, bleiben jedoch mehrere Unklarheiten in der Definition.
Die Nachbarschaft klären
Einer der Hauptstreitpunkte ist die genaue Bedeutung von „cleared the neighbourhood around its orbit“. Alan Stern wendet ein, dass es „unmöglich und konstruiert ist, eine Trennlinie zwischen Zwergplaneten und Planeten zu ziehen“, und dass, da weder die Erde, der Mars, der Jupiter noch der Neptun ihre Regionen vollständig von Trümmern geräumt haben, keiner von ihnen nach der IAU-Definition wirklich als Planet angesehen werden kann.
Mike Brown hält diesen Behauptungen entgegen, dass die großen Planeten ihre Bahnen nicht frei haben, sondern die Bahnen der anderen Körper in ihrer Orbitalzone vollständig kontrollieren. Jupiter mag mit einer großen Anzahl von kleinen Körpern in seiner Umlaufbahn koexistieren (die trojanischen Asteroiden), aber diese Körper existieren nur in Jupiters Umlaufbahn, weil sie unter dem Einfluss der enormen Schwerkraft des Planeten stehen. In ähnlicher Weise kreuzt Pluto zwar die Bahn des Neptun, aber Neptun hat Pluto und die zugehörigen Kuiper-Gürtel-Objekte, Plutinos genannt, vor langer Zeit in eine 3:2-Resonanz eingeschlossen, d.h. sie umkreisen die Sonne zweimal für je drei Neptunumläufe. Die Bahnen dieser Objekte werden vollständig von Neptuns Schwerkraft diktiert, und somit ist Neptun gravitativ dominant.
Im Oktober 2015 schlug der Astronom Jean-Luc Margot von der University of California Los Angeles eine Metrik für die Räumung der Orbitalzone vor, die sich daraus ableitet, ob ein Objekt eine Orbitalzone der Ausdehnung 2√3 seines Hill-Radius in einer bestimmten Zeitskala räumen kann. Diese Metrik setzt eine klare Trennlinie zwischen den Zwergplaneten und den Planeten des Sonnensystems. Die Berechnung basiert auf der Masse des Wirtssterns, der Masse des Körpers und der Umlaufzeit des Körpers. Ein erdmassenreicher Körper, der einen sonnenmassenreichen Stern umkreist, verlässt seine Umlaufbahn in einer Entfernung von bis zu 400 Astronomischen Einheiten vom Stern. Ein Körper mit Mars-Masse, der Pluto umkreist, räumt seine Umlaufbahn. Diese Metrik, die Pluto als Zwergplanet belässt, gilt sowohl für das Sonnensystem als auch für extrasolare Systeme.
Einige Gegner der Definition haben behauptet, dass „Clearing the Neighbourhood“ ein zweideutiges Konzept ist. Mark Sykes, Direktor des Planetary Science Institute in Tucson, Arizona, und Organisator der Petition, äußerte diese Meinung gegenüber National Public Radio. Er glaubt, dass die Definition einen Planeten nicht nach seiner Zusammensetzung oder Entstehung kategorisiert, sondern effektiv nach seinem Standort. Er glaubt, dass ein marsgroßes oder größeres Objekt jenseits der Umlaufbahn von Pluto nicht als Planet gelten würde, weil es seiner Meinung nach keine Zeit hätte, seine Umlaufbahn zu verlassen.
Brown merkt jedoch an, dass die Anzahl der Planeten im Sonnensystem von acht auf mehr als 50 ansteigen könnte, wenn das Kriterium des „Verlassens der Nachbarschaft“ aufgegeben würde, mit Hunderten weiteren, die möglicherweise noch entdeckt werden könnten.
Hydrostatisches GleichgewichtBearbeiten
Die Definition der IAU schreibt vor, dass Planeten groß genug sein müssen, damit ihre eigene Schwerkraft sie in einen Zustand des hydrostatischen Gleichgewichts bringt; das bedeutet, dass sie eine runde, ellipsoidische Form erreichen. Bis zu einer bestimmten Masse kann ein Objekt unregelmäßig geformt sein, aber jenseits dieses Punktes beginnt die Schwerkraft, ein Objekt in Richtung seines eigenen Massenschwerpunkts zu ziehen, bis das Objekt in ein Ellipsoid kollabiert. (Keines der großen Objekte des Sonnensystems ist wirklich kugelförmig. Viele sind Sphäroide, und einige, wie die größeren Monde des Saturn und der Zwergplanet Haumea, sind durch schnelle Rotation oder Gezeitenkräfte weiter zu Ellipsoiden verzerrt worden, befinden sich aber immer noch im hydrostatischen Gleichgewicht.
Es gibt jedoch keinen genauen Punkt, an dem man sagen kann, dass ein Objekt das hydrostatische Gleichgewicht erreicht hat. Wie Soter in seinem Artikel bemerkt, „wie sollen wir den Grad der Rundheit quantifizieren, der einen Planeten auszeichnet? Beherrscht die Schwerkraft einen solchen Körper, wenn seine Form von einem Sphäroid um 10 Prozent oder um 1 Prozent abweicht? Die Natur bietet keine unbesetzte Lücke zwischen runden und unrunden Formen, also wäre jede Grenze eine willkürliche Wahl.“ Darüber hinaus variiert der Punkt, an dem die Masse eines Objekts es zu einem Ellipsoid komprimiert, je nach chemischer Beschaffenheit des Objekts. Objekte, die aus Eis bestehen, wie Enceladus und Miranda, nehmen diesen Zustand leichter an als solche aus Gestein, wie Vesta und Pallas. Wärmeenergie, die durch Gravitationskollaps, Einschläge, Gezeitenkräfte wie Orbitalresonanzen oder radioaktiven Zerfall entsteht, trägt ebenfalls dazu bei, ob ein Objekt ellipsoidisch wird oder nicht; Saturns Eismond Mimas ist ellipsoidisch (obwohl er sich nicht mehr im hydrostatischen Gleichgewicht befindet), aber Neptuns größerer Mond Proteus, der ähnlich zusammengesetzt, aber wegen seiner größeren Entfernung von der Sonne kälter ist, ist unregelmäßig. Außerdem ist der viel größere Iapetus ellipsoidisch, hat aber nicht die für seine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit erwarteten Abmessungen, was darauf hindeutet, dass er sich einst im hydrostatischen Gleichgewicht befand, dies aber nicht mehr der Fall ist, und dasselbe gilt für den Erdmond.
Doppelplaneten und -mondeBearbeiten
Die Definition schließt ausdrücklich Satelliten von der Kategorie der Zwergplaneten aus, obwohl sie den Begriff „Satellit“ nicht direkt definiert. Im ursprünglichen Entwurfsvorschlag wurde eine Ausnahme für Pluto und seinen größten Satelliten Charon gemacht, die ein Baryzentrum außerhalb des Volumens der beiden Körper besitzen. Der ursprüngliche Vorschlag klassifizierte Pluto-Charon als einen Doppelplaneten, wobei die beiden Objekte die Sonne im Tandem umkreisen. Der endgültige Entwurf stellte jedoch klar, dass, obwohl sie in ihrer relativen Größe ähnlich sind, nur Pluto derzeit als Zwergplanet klassifiziert werden würde.
Einige haben jedoch vorgeschlagen, dass der Mond es dennoch verdient, als Planet bezeichnet zu werden. Isaac Asimov bemerkte 1975, dass der Zeitpunkt der Mondumlaufbahn mit der Erdumlaufbahn um die Sonne übereinstimmt – auf der Ekliptik gesehen, dreht sich der Mond nie um sich selbst und umkreist die Sonne im Grunde genommen selbst.
Auch viele Monde, selbst solche, die die Sonne nicht direkt umkreisen, weisen oft Merkmale auf, die sie mit echten Planeten gemeinsam haben. Es gibt 19 Monde im Sonnensystem, die ein hydrostatisches Gleichgewicht erreicht haben und als Planeten gelten würden, wenn man nur die physikalischen Parameter betrachtet. Sowohl der Jupitermond Ganymed als auch der Saturnmond Titan sind größer als Merkur, und Titan hat sogar eine wesentlich dickere Atmosphäre als die Erde. Monde wie Io und Triton zeigen offensichtliche und anhaltende geologische Aktivität, und Ganymed hat ein Magnetfeld. So wie Sterne, die andere Sterne umkreisen, immer noch als Sterne bezeichnet werden, argumentieren einige Astronomen, dass Objekte, die Planeten umkreisen, die alle ihre Eigenschaften teilen, auch als Planeten bezeichnet werden könnten. In der Tat stellt Mike Brown genau solch eine Behauptung in seiner Sezierung des Themas auf, indem er sagt:
Es ist schwer, ein konsistentes Argument vorzubringen, dass ein 400 km großer Eisball als Planet zählen sollte, weil er eine interessante Geologie haben könnte, während ein 5000 km großer Satellit mit einer massiven Atmosphäre, Methanseen und dramatischen Stürmen nicht in die gleiche Kategorie gesteckt werden sollte, egal wie man ihn nennt.
Doch er fährt fort: „Für die meisten Menschen verstößt es gegen die Vorstellung, was ein Planet ist, wenn man runde Satelliten (einschließlich unseres Mondes) als ‚Planeten‘ betrachtet.“
Alan Stern hat argumentiert, dass die Lage keine Rolle spielen sollte und dass nur geophysikalische Eigenschaften bei der Definition eines Planeten berücksichtigt werden sollten, und schlägt den Begriff Satellitenplanet für Monde mit planetarer Masse vor.
Extrasolare Planeten und Braune ZwergeBearbeiten
Die Entdeckung von extrasolaren Planeten oder planetengroßen Objekten um andere Sterne seit 1992 (4.687 solcher Planeten in 3.463 Planetensystemen, darunter 770 Mehrfachplanetensysteme, Stand: 1. März 2021) hat die Debatte über die Natur des Planetentums auf unerwartete Weise ausgeweitet. Viele dieser Planeten sind von beträchtlicher Größe und nähern sich der Masse kleiner Sterne, während viele neu entdeckte braune Zwerge umgekehrt klein genug sind, um als Planeten betrachtet zu werden. Der materielle Unterschied zwischen einem massearmen Stern und einem großen Gasriesen ist nicht eindeutig; abgesehen von Größe und relativer Temperatur gibt es wenig, was einen Gasriesen wie Jupiter von seinem Wirtsstern unterscheidet. Beide haben eine ähnliche Gesamtzusammensetzung: Wasserstoff und Helium, mit Spuren von schwereren Elementen in ihren Atmosphären. Der allgemein akzeptierte Unterschied liegt in der Entstehung: Sterne sollen sich „von oben nach unten“ gebildet haben, aus den Gasen in einem Nebel, als sie durch die Gravitation kollabierten, und würden daher fast vollständig aus Wasserstoff und Helium bestehen, während Planeten „von unten nach oben“ entstanden sein sollen, aus der Akkretion von Staub und Gas in der Umlaufbahn um den jungen Stern, und sollten daher Kerne aus Silikaten oder Eis haben. Noch ist nicht sicher, ob Gasriesen solche Kerne besitzen, doch die Juno-Mission zum Jupiter könnte diese Frage klären. Wenn es tatsächlich möglich ist, dass sich ein Gasriese wie ein Stern bildet, dann stellt sich die Frage, ob ein solches Objekt nicht eher als ein umkreisender massearmer Stern als ein Planet betrachtet werden sollte.
Traditionell war das entscheidende Merkmal für die Sternentstehung die Fähigkeit eines Objekts, Wasserstoff in seinem Kern zu fusionieren. Allerdings haben Sterne wie Braune Zwerge diese Unterscheidung immer in Frage gestellt. Da sie zu klein sind, um eine anhaltende Wasserstoff-1-Fusion zu starten, wurde ihnen der Sternstatus aufgrund ihrer Fähigkeit, Deuterium zu fusionieren, verliehen. Aufgrund der relativen Seltenheit dieses Isotops dauert dieser Prozess jedoch nur einen winzigen Bruchteil der Lebenszeit des Sterns, so dass die meisten Braunen Zwerge schon lange vor ihrer Entdeckung die Fusion eingestellt haben. Zwillingssterne und andere Mehrfachsternformationen sind häufig, und viele Braune Zwerge umkreisen andere Sterne. Da sie also keine Energie durch Fusion erzeugen, könnte man sie als Planeten bezeichnen. In der Tat behauptet der Astronom Adam Burrows von der Universität von Arizona, dass „aus theoretischer Sicht, so unterschiedlich ihre Entstehungsweisen auch sein mögen, extrasolare Riesenplaneten und Braune Zwerge im Wesentlichen gleich sind“. Burrows behauptet auch, dass solche stellaren Überreste wie Weiße Zwerge nicht als Sterne betrachtet werden sollten, was bedeuten würde, dass ein umkreisender Weißer Zwerg, wie Sirius B, als Planet betrachtet werden könnte. Die derzeitige Konvention unter Astronomen ist jedoch, dass jedes Objekt, das massiv genug ist, um die Fähigkeit zu besitzen, während seiner Lebenszeit die Atomfusion aufrechtzuerhalten, und das kein Schwarzes Loch ist, als Stern betrachtet werden sollte.
Die Verwirrung endet nicht mit Braunen Zwergen. Maria Rosa Zapatario-Osorio et al. haben in jungen Sternhaufen viele Objekte entdeckt, deren Masse unter dem Wert liegt, der erforderlich ist, um jegliche Art von Kernfusion aufrechtzuerhalten (derzeit berechnet auf etwa 13 Jupitermassen). Diese wurden als „frei schwebende Planeten“ bezeichnet, da die derzeitigen Theorien zur Entstehung des Sonnensystems davon ausgehen, dass Planeten von ihren Sternsystemen ausgestoßen werden können, wenn ihre Bahnen instabil werden. Es ist aber auch möglich, dass sich diese „frei schwebenden Planeten“ auf die gleiche Weise wie Sterne gebildet haben könnten.
Im Jahr 2003, veröffentlichte eine Arbeitsgruppe der IAU eine Positionserklärung, um eine Arbeitsdefinition zu erstellen, was ein extrasolarer Planet und was ein Brauner Zwerg ist. Bis heute ist dies die einzige Richtlinie, die von der IAU zu diesem Thema angeboten wird. Das Komitee für die Planetendefinition von 2006 hat nicht versucht, sie in Frage zu stellen oder in ihre Definition zu integrieren, mit der Begründung, dass die Frage der Definition eines Planeten bereits schwierig zu lösen sei, ohne auch extrasolare Planeten zu berücksichtigen. Diese Arbeitsdefinition wurde von der IAU-Kommission F2: Exoplaneten und das Sonnensystem im August 2018 geändert. Die offizielle Arbeitsdefinition für einen Exoplaneten lautet nun wie folgt:
- Objekte mit wahren Massen unterhalb der Grenzmasse für die thermonukleare Fusion von Deuterium (derzeit berechnet auf 13 Jupitermassen für Objekte mit solarer Metallizität), die Sterne umkreisen, Braune Zwerge oder Sternüberreste umkreisen und die ein Massenverhältnis mit dem zentralen Objekt unterhalb der L4/L5-Instabilität (M/Mcentral < 2/(25+√621) haben, sind „Planeten“ (egal wie sie entstanden sind).
- Die minimale Masse/Größe, die für ein extrasolares Objekt erforderlich ist, um als Planet zu gelten, sollte die gleiche sein wie die in unserem Sonnensystem.
Die IAU merkte an, dass diese Definition sich mit zunehmendem Wissen weiterentwickeln könnte.
Diese Definition macht die Lage und nicht die Entstehung oder Zusammensetzung zum bestimmenden Merkmal für das Planetentum. Ein frei schwebendes Objekt mit einer Masse unter 13 Jupitermassen ist ein „sub-brown dwarf“, während ein solches Objekt in einer Umlaufbahn um einen fusionierenden Stern ein Planet ist, auch wenn die beiden Objekte ansonsten identisch sein mögen. Außerdem stellte eine 2010 veröffentlichte Arbeit von Burrows, David S. Spiegel und John A. Milsom das 13-Jupiter-Massen-Kriterium in Frage und zeigte, dass ein Brauner Zwerg mit dreifacher Sonnenmetallizität schon bei 11 Jupitermassen Deuterium fusionieren kann.
Auch die 13-Jupiter-Massen-Grenze hat keine genaue physikalische Bedeutung. Die Deuteriumfusion kann in einigen Objekten mit einer Masse unterhalb dieses Grenzwerts stattfinden. Die Menge des fusionierten Deuteriums hängt bis zu einem gewissen Grad von der Zusammensetzung des Objekts ab. Ab 2011 schloss die Enzyklopädie der Extrasolaren Planeten Objekte bis 25 Jupitermassen ein und sagte: „Die Tatsache, dass es im beobachteten Massenspektrum um 13 MJup keine Besonderheit gibt, bestärkt die Entscheidung, diese Massengrenze zu vergessen“. Ab 2016 wurde diese Grenze auf 60 Jupitermassen erhöht, basierend auf einer Studie der Masse-Dichte-Beziehungen. Der Exoplanet Data Explorer enthält Objekte bis zu 24 Jupitermassen mit dem Hinweis: „The 13 Jupiter-mass distinction by the IAU Working Group is physically unmotivated for planets with rocky cores, and observationally problematic due to the sin i ambiguity.“ Das Exoplaneten-Archiv der NASA umfasst Objekte mit einer Masse (oder Mindestmasse) von 30 Jupitermassen oder weniger.
Ein weiteres Kriterium zur Unterscheidung von Planeten und Braunen Zwergen ist nicht das Deuteriumbrennen, der Entstehungsprozess oder der Ort, sondern die Frage, ob der Druck im Kern durch Coulombdruck oder Elektronenentartungsdruck dominiert wird.
Eine Studie legt nahe, dass Objekte über 10 MJup durch gravitative Instabilität und nicht durch Kernakkretion entstanden sind und daher nicht als Planeten betrachtet werden sollten.
Sternobjekte mit Planetenmasse
Die Mehrdeutigkeit der IAU-Definition wurde im Dezember 2005 deutlich, als das Spitzer-Weltraumteleskop Cha 110913-773444 (oben) beobachtete, ein Objekt mit nur achtfacher Jupitermasse, das die Anfänge eines eigenen Planetensystems zu haben scheint. Wäre dieses Objekt in einer Umlaufbahn um einen anderen Stern zu finden, würde man es als Planet bezeichnen.
Im September 2006 bildete das Hubble-Weltraumteleskop CHXR 73 b (links) ab, ein Objekt, das einen jungen Begleitstern in etwa 200 AE Entfernung umkreist. Mit einer Masse von 12 Jovianen liegt CHXR 73 b knapp unter der Schwelle für die Deuteriumfusion und ist damit technisch gesehen ein Planet; seine große Entfernung von seinem Begleitstern deutet jedoch darauf hin, dass er sich nicht innerhalb der protoplanetaren Scheibe des kleinen Sterns gebildet haben kann und daher, wie Sterne, durch Gravitationskollaps entstanden sein muss.
Im Jahr 2012 gab Philippe Delorme vom Institut für Planetologie und Astrophysik in Grenoble in Frankreich die Entdeckung von CFBDSIR 2149-0403 bekannt; ein sich unabhängig bewegendes Objekt mit einer Masse von 4-7 Jupitern, das wahrscheinlich Teil der AB-Doradus-Bewegungsgruppe ist und weniger als 100 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Obwohl er sein Spektrum mit einem Braunen Zwerg der Spektralklasse T teilt, spekuliert Delorme, dass es sich um einen Planeten handeln könnte.
Im Oktober 2013 entdeckten Astronomen unter der Leitung von Dr. Michael Liu von der University of Hawaii PSO J318.5-22, einen einsamen, frei schwebenden L-Zwerg, der schätzungsweise nur 6.Damit ist er der massearmste subbraune Zwerg, der bisher entdeckt wurde.
Im Jahr 2019 identifizierten Astronomen des Calar-Alto-Observatoriums in Spanien GJ3512b, einen Gasriesen mit etwa der halben Masse des Jupiter, der den roten Zwergstern GJ3512 in 204 Tagen umkreist. Ein so großer Gasriese um einen so kleinen Stern auf einer so weiten Umlaufbahn ist höchstwahrscheinlich nicht durch Akkretion entstanden, sondern eher durch Fragmentierung der Scheibe, ähnlich wie bei einem Stern.
SemantikBearbeiten
Schließlich gibt es aus rein sprachlicher Sicht die von der IAU geschaffene Dichotomie zwischen „Planet“ und „Zwergplanet“. Der Begriff „Zwergplanet“ enthält wohl zwei Wörter, ein Substantiv (Planet) und ein Adjektiv (Zwerg). Somit könnte der Begriff suggerieren, dass ein Zwergplanet eine Art von Planet ist, obwohl die IAU einen Zwergplaneten explizit als nicht so definiert. Nach dieser Formulierung sind „Zwergplanet“ und „Kleinplanet“ also am besten als zusammengesetzte Substantive zu betrachten. Benjamin Zimmer von Language Log fasst die Verwirrung zusammen: „Die Tatsache, dass die IAU möchte, dass wir an Zwergplaneten im Unterschied zu ‚echten‘ Planeten denken, wirft das lexikalische Element ‚Zwergplanet‘ in einen Topf mit solchen Merkwürdigkeiten wie ‚walisisches Kaninchen‘ (nicht wirklich ein Kaninchen) und ‚Rocky-Mountain-Austern‘ (nicht wirklich Austern).“ Wie Dava Sobel, die Historikerin und populärwissenschaftliche Autorin, die an der ursprünglichen Entscheidung der IAU im Oktober 2006 beteiligt war, in einem Interview mit National Public Radio bemerkte: „Ein Zwergplanet ist kein Planet, und in der Astronomie gibt es Zwergsterne, die Sterne sind, und Zwerggalaxien, die Galaxien sind, also ist es ein Begriff, den niemand lieben kann, Zwergplanet.“ Mike Brown bemerkte in einem Interview mit dem Smithsonian, dass „die meisten Leute im dynamischen Lager das Wort ‚Zwergplanet‘ wirklich nicht wollten, aber das wurde vom Pro-Pluto-Lager durchgesetzt.
Der Astronom Robert Cumming vom Stockholmer Observatorium stellt dagegen fest: „Der Name ‚Zwergplanet‘ war lange Zeit mehr oder weniger ein Synonym für ‚Asteroid‘. Daher scheint es mir ziemlich unsinnig, sich über irgendeine Mehrdeutigkeit oder Verwechslungsgefahr bei der Einführung von ‚Zwergplanet‘ zu beschweren.“