Orbitale Resonanz: Planeten führen einen Gravitationstanz mit sich ausrichtenden Umlaufbahnen durch

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Planeten umkreisen ihre Muttersterne, während sie durch enorme Entfernungen voneinander getrennt sind – in unserem Sonnensystem ähneln Planeten ihnen Sandkörner in einer Region von der Größe eines Fußballfeldes. Die Zeit, die Planeten brauchen, um ihre Sonne zu umkreisen, steht in keinem spezifischen Zusammenhang zueinander.

Aber manchmal weisen ihre Umlaufbahnen auffällige Muster auf. Zum Beispiel studieren Astronomen sechs Planeten, die einen Stern umkreisen 100 Lichtjahre entfernt haben sie gerade festgestellt, dass sie ihren Stern mit einem fast rhythmischen Takt und in perfekter Synchronität umkreisen. Jedes Planetenpaar vollendet seine Umlaufbahnen in Zeiten, die dem Verhältnis ganzer Zahlen entsprechen, wodurch sich die Planeten ausrichten und während ihrer Umlaufbahn einen gravitativen Schub und Zug auf den anderen ausüben können.

Diese Art der Gravitationsausrichtung nennt man Orbitalresonanzund es ist wie eine Harmonie zwischen entfernten Planeten.

Ich bin ein Astronom der darüber studiert und schreibt Kosmologie. Forscher haben es herausgefunden über 5.600 Exoplaneten in den letzten 30 Jahren entdeckt, und ihre außergewöhnliche Vielfalt überrascht Astronomen immer wieder.

Harmonie der Sphären

Griechischer Mathematiker Pythagoras entdeckte vor 2.500 Jahren die Prinzipien der musikalischen Harmonie, indem er die Klänge von Schmiedehämmern und gezupften Saiten analysierte.

Er glaubte, dass die Mathematik das Herzstück der natürlichen Welt sei, und schlug vor, dass Sonne, Mond und Planeten aufgrund ihrer Umlaufbahneigenschaften jeweils ein einzigartiges Summen aussenden. Er glaubte, dass diese „Sphärenmusik“ für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar sei.

Vor vierhundert Jahren, Johannes Kepler habe diese Idee aufgegriffen. Er schlug vor, dass musikalische Intervalle und Harmonien die Bewegungen der sechs damals bekannten Planeten beschrieben.

Für Kepler hatte das Sonnensystem zwei Bässe, Jupiter und Saturn; ein Tenor, Mars; zwei Altisten, Venus und Erde; und eine Sopranistin, Mercury. Diese Rollen spiegelten wider, wie lange jeder Planet brauchte, um die Sonne zu umkreisen, niedrigere Geschwindigkeiten für die äußeren Planeten und höhere Geschwindigkeiten für die inneren Planeten.

Er nannte das Buch, das er über diese mathematischen Beziehungen schrieb: „Die Harmonie der Welt.“ Obwohl diese Ideen einige Ähnlichkeiten mit dem Konzept der Orbitalresonanz aufweisen, erzeugen Planeten seitdem keine wirklichen Geräusche Schall kann sich nicht durch das Vakuum des Weltraums ausbreiten.

Orbitale Resonanz

Resonanz entsteht, wenn Planeten oder Monde haben Umlaufzeiten Verhältnisse ganzer Zahlen. Die Umlaufzeit ist die Zeit, die ein Planet benötigt, um den Stern vollständig zu umkreisen. So würden sich beispielsweise zwei Planeten, die einen Stern umkreisen, in einer 2:1-Resonanz befinden, wenn ein Planet doppelt so lange braucht wie der andere, um den Stern zu umkreisen. Resonanz ist nur zu sehen 5 % der Planetensysteme.

Orbitalresonanz, wie man sie bei den Jupitermonden beobachten kann, tritt auf, wenn die Umlaufbahnen von Planetenkörpern ausgerichtet sind – zum Beispiel umkreist Io Jupiter viermal in der Zeit, die Europa für eine zweimalige und Ganymed für eine einmalige Umrundung benötigt. WolfmanSF/Wikimedia Commons

Im Sonnensystem befinden sich Neptun und Pluto in einer 3:2-Resonanz. Es gibt auch ein Dreifache Resonanz, 4:2:1, unter den drei Jupitermonden: Ganymed, Europa und Io. In der Zeit, die Ganymed benötigt, um Jupiter zu umkreisen, umkreist Europa zweimal und Io viermal. Resonanzen treten auf natürliche Weise auf, wenn Planeten Umlaufzeiten haben, die das Verhältnis ganzer Zahlen darstellen.

Musikalische Intervalle beschreiben die Beziehung zwischen zwei Musiknoten. In der musikalischen Analogie wichtig Musikalische Intervalle Basierend auf den Frequenzverhältnissen sind die Quarte 4:3, die Quinte 3:2 und die Oktave 2:1. Jeder, der das spielt Gitarre oder Klavier könnte diese Intervalle erkennen.

Musikalische Intervalle können verwendet werden, um Tonleitern und Harmonien zu erzeugen.


Orbitalresonanzen können sich ändern wie die Schwerkraft beeinflusst zwei Körper, was dazu führt, dass sie schneller werden, langsamer werden, sich auf ihrer Umlaufbahn stabilisieren und manchmal ihre Umlaufbahnen unterbrochen werden.

Denken Sie daran, a zu schieben Kind auf einer Schaukel. Sowohl ein Planet als auch eine Schaukel haben eine Eigenfrequenz. Geben Sie dem Kind einen Schubs, der der Schaukelbewegung entspricht, und es wird einen Schub bekommen. Sie erhalten auch einen Schub, wenn Sie sie jedes zweite Mal, wenn sie sich in dieser Position befinden, oder jedes dritte Mal anstoßen. Aber stoße sie zu zufälligen Zeitpunkten an, manchmal mit der Bewegung der Schaukel und manchmal dagegen, und sie bekommen keinen Schub.

Orbitalresonanz kann dazu führen, dass Planeten oder Asteroiden schneller werden oder ins Wanken geraten.


Bei Planeten kann der Schub dazu führen, dass sie ihre Umlaufbahnen fortsetzen, es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass sie ihre Umlaufbahnen stören.

Exoplanetenresonanz

Exoplaneten oder Planeten außerhalb des Sonnensystems zeigen eindrucksvolle Beispiele für Resonanz, nicht nur zwischen zwei Objekten, sondern auch zwischen resonanten „Ketten“, an denen drei oder mehr Objekte beteiligt sind.

Der Stern Gliese 876 hat drei Planeten mit einem Umlaufperiodenverhältnis von 4:2:1, genau wie die drei Monde des Jupiter. Kepler 223 hat vier Planeten mit Verhältnissen von 8:6:4:3.

Der Rote Zwerg Kepler 80 hat fünf Planeten mit Verhältnissen von 9:6:4:3:2 und TOI 178 hat sechs Planeten, von denen fünf in einer Resonanzkette mit Verhältnissen von 18:9:6:4:3 liegen.

TRAPPIST-1 ist Rekordhalter. Es gibt sieben erdähnliche Planeten, davon zwei könnte bewohnbar seinmit Umlaufbahnverhältnissen von 24:15:9:6:4:3:2.

Das neueste Beispiel einer Resonanzkette ist die HD 110067 System. Er ist etwa 100 Lichtjahre entfernt und hat sechs Sub-Neptun-Planeten, eine häufige Art von Exoplaneten, mit Umlaufverhältnissen von 54:36:24:16:12:9. Die Entdeckung ist interessant, weil die meisten Resonanzketten instabil sind und mit der Zeit verschwinden.

Trotz dieser Beispiele sind Resonanzketten selten und nur 1 % aller Planetensysteme weisen sie auf. Astronomen gehen davon aus, dass Planeten in Resonanz entstehen, aber kleine Gravitationsstöße von vorbeiziehenden Sternen und wandernden Planeten löschen die Resonanz mit der Zeit aus. Bei HD 110067 hat die Resonanzkette Milliarden von Jahren überlebt und bietet einen seltenen und unberührten Blick auf das System, wie es war, als es entstand.

Orbit-Sonifizierung

Astronomen verwenden eine Technik namens Sonifikation komplexe visuelle Daten in Ton zu übersetzen. Es gibt den Menschen eine andere Möglichkeit, die schönen Bilder aus dem zu schätzen Hubble-Weltraumteleskopund es wurde angewendet auf Röntgendaten und Gravitationswellen.

Bei Exoplaneten kann die Sonifikation die mathematischen Beziehungen ihrer Umlaufbahnen vermitteln. Astronomen der Europäischen Südsternwarte haben das geschaffen, was sie „Musik der Sphären” für das TOI 178-System, indem jedem der fünf Planeten ein Ton auf einer pentatonischen Skala zugeordnet wird.

Musik aus Planetenumlaufbahnen, geschaffen von Astronomen der Europäischen Südsternwarte.


A ähnliche musikalische Übersetzung wurde für das TRAPPIST-1-System durchgeführt, wobei die Orbitalfrequenzen um den Faktor 212 Millionen hochskaliert wurden, um sie in den hörbaren Bereich zu bringen.

Astronomen haben es auch getan eine Sonifikation erstellt für das HD 110067-System. Man ist sich vielleicht nicht einig darüber, ob diese Interpretationen wie echte Musik klingen, aber es ist inspirierend zu sehen, wie die Ideen von Pythagoras nach 2.500 Jahren verwirklicht werden.


Chris Impey ist ein angesehener Professor für Astronomie an der University of Arizona. Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einem Creative Commons License. Lies das originaler Artikel.




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