Es ist mir ein Rätsel, warum die Planeten, Sterne und Monde alle rund sind (wenn) andere große und kleine Objekte wie Asteroiden und Meteoriten unregelmäßige Formen haben?
– Lionel Young, 74 Jahre, Launceston, Tasmanien
Das ist eine fantastische Frage, Lionel, und eine wirklich gute Beobachtung!
Wenn wir auf das Sonnensystem schauen, sehen wir Objekte aller Größen – von winzigen Staubkörnern bis hin zu riesigen Planeten und der Sonne. Ein gemeinsames Thema unter diesen Objekten ist, dass die großen (mehr oder weniger) rund sind, während die kleinen unregelmäßig sind. Aber warum?
Eine Auswahl der kleinen Körper des Sonnensystems, maßstabsgetreu. Die großen Objekte sind rund, aber die kleinen sind alles andere als rund! Wikipedia/Antonio Ciccolella
Schwerkraft: der Schlüssel, um große Dinge rund zu machen…
Die Antwort auf die Frage, warum die größeren Objekte rund sind, läuft auf den Einfluss der Schwerkraft hinaus. Die Anziehungskraft eines Objekts wird immer in Richtung des Zentrums seiner Masse zeigen. Je größer etwas ist, desto massiver ist es, und desto größer ist seine Anziehungskraft.
Bei festen Objekten wird dieser Kraft die Stärke des Objekts selbst entgegengesetzt. Zum Beispiel zieht die nach unten gerichtete Kraft, die Sie aufgrund der Erdanziehung erfahren, Sie nicht in den Mittelpunkt der Erde. Das liegt daran, dass der Boden Sie zurück nach oben drückt; er hat zu viel Kraft, um Sie durch ihn hindurch sinken zu lassen.
Doch die Kraft der Erde hat Grenzen. Stellen Sie sich einen großen Berg wie den Mount Everest vor, der immer größer wird, weil sich die Platten des Planeten zusammenschieben. Wenn der Everest höher wird, steigt sein Gewicht bis zu dem Punkt, an dem er zu sinken beginnt. Das zusätzliche Gewicht drückt den Berg nach unten in den Erdmantel und begrenzt so die Höhe, die er erreichen kann.
Wie hoch kann ein Berg auf der Erde werden?
Wenn die Erde vollständig aus dem Ozean bestünde, würde der Mount Everest einfach bis zum Erdmittelpunkt absinken (und dabei jegliches Wasser verdrängen, das er durchquert). Alle Gebiete, in denen das Wasser ungewöhnlich hoch stand, würden durch die Schwerkraft der Erde nach unten gezogen werden. Bereiche, in denen das Wasser ungewöhnlich niedrig war, würden durch Wasser aufgefüllt werden, das von anderswoher verdrängt wurde, mit dem Ergebnis, dass dieser imaginäre Ozean Erde perfekt kugelförmig werden würde.
Aber die Sache ist die, dass die Schwerkraft eigentlich erstaunlich schwach ist. Ein Objekt muss wirklich groß sein, bevor es eine ausreichend starke Anziehungskraft ausüben kann, um die Stärke des Materials zu überwinden, aus dem es besteht. Kleinere feste Objekte (mit einem Durchmesser von Metern oder Kilometern) haben daher eine zu schwache Anziehungskraft, um sie in eine kugelförmige Form zu ziehen.
Das ist übrigens auch der Grund, warum Sie sich keine Sorgen machen müssen, unter Ihrer eigenen Anziehungskraft in eine Kugelform zu kollabieren – dazu ist Ihr Körper viel zu stark für die winzige Anziehungskraft, die er ausübt.
Erreichen des hydrostatischen Gleichgewichts
Wenn ein Objekt groß genug ist, dass die Schwerkraft siegt – die Stärke des Materials, aus dem das Objekt besteht, überwindet – wird es dazu neigen, das gesamte Material des Objekts in eine Kugelform zu ziehen. Teile des Objekts, die zu hoch sind, werden nach unten gezogen und verdrängen das Material unter ihnen, was dazu führt, dass Bereiche, die zu niedrig sind, nach außen gedrückt werden.
Wenn diese Kugelform erreicht ist, sagen wir, dass sich das Objekt im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Aber wie massiv muss ein Objekt sein, um ein hydrostatisches Gleichgewicht zu erreichen? Das hängt davon ab, woraus es besteht. Ein Objekt, das nur aus flüssigem Wasser besteht, würde es sehr leicht schaffen, da es im Grunde keine Kraft hat – denn die Wassermoleküle bewegen sich ganz leicht.
Ein Objekt aus reinem Eisen müsste dagegen sehr viel massiver sein, damit seine Schwerkraft die Eigenfestigkeit des Eisens überwindet. Im Sonnensystem liegt der Schwellendurchmesser, der für ein eisiges Objekt erforderlich ist, um kugelförmig zu werden, bei mindestens 400 Kilometern – und für Objekte, die hauptsächlich aus stärkerem Material bestehen, ist die Schwelle sogar noch größer.
Der Saturnmond Mimas, der aussieht wie der Todesstern, ist kugelförmig und hat einen Durchmesser von 396 km. Er ist das derzeit kleinste uns bekannte Objekt, das das Kriterium erfüllen könnte.
Der Saturnmond Mimas, wie er von der Raumsonde Cassini abgebildet wurde, ist kaum groß genug, dass die Schwerkraft ihn in eine Kugelform ziehen könnte. Der riesige Krater Herschel, der Mimas wie den Todesstern aussehen lässt, ist die Narbe eines Einschlags, der so groß war, dass er Mimas fast zerstört hätte! NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute
Ständig in Bewegung
Aber die Dinge werden noch komplizierter, wenn man bedenkt, dass alle Objekte dazu neigen, sich zu drehen oder durch den Raum zu taumeln. Wenn sich ein Objekt dreht, spüren Orte an seinem Äquator (der Punkt auf halbem Weg zwischen den beiden Polen) effektiv eine etwas geringere Anziehungskraft als Orte in der Nähe des Pols.
Die Folge davon ist, dass die perfekte Kugelform, die man im hydrostatischen Gleichgewicht erwarten würde, zu einem sogenannten abgeflachten Sphäroid verschoben wird – bei dem das Objekt am Äquator breiter ist als an den Polen. Dies gilt für unsere sich drehende Erde, die einen Äquatordurchmesser von 12.756 km und einen Durchmesser von Pol zu Pol von 12.712 km hat.
Je schneller sich ein Objekt im Weltraum dreht, desto dramatischer ist dieser Effekt. Der Saturn, der eine geringere Dichte als Wasser hat, dreht sich alle zehneinhalb Stunden um seine Achse (verglichen mit dem langsameren 24-Stunden-Zyklus der Erde). Infolgedessen ist er viel weniger kugelförmig als die Erde.
Saturns Äquatordurchmesser beträgt etwas mehr als 120.500 km – während sein Polardurchmesser etwas mehr als 108.600 km beträgt. Das ist ein Unterschied von fast 12.000 km!
Das letzte Weitfeldmosaik der Raumsonde Cassini von Saturn und seinen Monden, aufgenommen im September 2017, vermittelt ein Gefühl dafür, wie abgeplattet der Riesenplanet ist! NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Einige Sterne sind sogar noch extremer. Der helle Stern Altair, der in den Wintermonaten von Australien aus am Nordhimmel zu sehen ist, ist eine solche Kuriosität. Er dreht sich etwa alle neun Stunden einmal. Das ist so schnell, dass sein Äquatorialdurchmesser 25 % größer ist als der Abstand zwischen seinen Polen!
Die kurze Antwort
Je genauer man sich mit einer Frage wie dieser beschäftigt, desto mehr lernt man. Aber um es einfach zu beantworten: Der Grund, warum große astronomische Objekte kugelförmig (oder fast kugelförmig) sind, ist, dass sie massiv genug sind, dass ihre Gravitationskraft die Stärke des Materials, aus dem sie bestehen, überwinden kann.
Dies ist ein Artikel aus I’ve Always Wondered, einer Serie, in der Leser Fragen einsenden, die sie von einem Experten beantwortet haben möchten. Schicken Sie Ihre Frage an [email protected]
Verwendete Bilder mit freundlicher Genehmigung von Pexels/Janik Butz
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