Planetenweg: Uranus

Entdeckung

Die Entdeckung von Uranus im Jahr 1781 war ein Zufall. Der deutsch-britische Astronom William Herschel (1738-1822) sah durch sein Fernrohr nicht einen Punkt wie bei den Sternen, sondern ein kleines Scheibchen. Daraus schloss er, es müsse sich um einen neuen Planeten oder auch einen Kometen handeln. Damals hatte sich die Ansicht durchgesetzt, Planeten müssten nach antiken Göttern benannt werden. Uranos war ein griechischer Gott und stellte den Himmel  dar.

Astronomisches Symbol für Uranus: 

 

Bild 1a: Uranusfoto von Voyager 2  (Nasa-JPL-Caltech)

 

Bild 1b: Größenvergleich Erde-Uranus

 

Beobachtung

Uranus ist, wenn die Bedingungen sehr gut sind, gerade eben mit dem bloßen Auge sichtbar. Schon mit einem kleinen Fernglas, erst recht mit einem Teleskop, ist Uranus ohne große Probleme von der Erde aus zu sehen.

 

Umlaufbahn

Der Uranus gehört mit Jupiter, Saturn und Neptun zu den vier Gasplaneten. Seine Bahn, eine kreisähnliche Ellipse, hat eine Entfernung zur Sonne von ca. 19,2 AE* (astronomischen Einheiten). Der Sonnenabstand schwankt zwischen 18,3 AE im Perihel und 20,1 AE im Aphel und somit variiert die Entfernung zur Erde zwischen 17,3 AE und 21,1 AE. Licht vom Uranus zur Erde braucht länger als 2½ Stunden! Für eine Umrundung der Sonne braucht Uranus 84,0 Jahre. Seine Bahn ist zwar nur 19,2 mal länger als die der Erde aber seine Bahngeschwindigkeit ist mit 6,8 km/s ca. 4 mal geringer als die der Erde. Seine Bahnebene ist  nur um ca. 0,77° gegen die Bahnebene der Erde (Ekliptik) geneigt.

(*)1 AE= Astronomische Einheit = mittlere Entfernung Erde-Sonne= 149,6 Mio. km)

 

Rotation

Die Rotationsdauer (Dauer einer Umdrehung um sich selbst) beträgt 17 Stunden 14 Minuten. Das ist schneller als die Erdrotation, obwohl der Durchmesser größer ist. Bei den anderen Planeten steht die Rotationsachse fast senkrecht auf der Umlaufbahn. Das ist bei Uranus anders. Seine Rotationsachse ist ganz stark gegenüber der Senkrechten gekippt, so dass sie nahezu in der Ebene seiner Umlaufbahn liegt. Zweimal während eines Umlaufs weist die Rotationsachse des Uranus also fast genau zur Sonne hin, da die Richtung der Achse sich nicht ändert. Man könnte dann sagen, Uranus „rollt“ um die Sonne. Wegen dieser Neigung hat jede Hälfte des Uranusglobus für einen halben Umlauf Tag und genauso so lange Nacht,  Auf der der Sonne zugewandten Seite ist es demnach 42 Erd-Jahre hell (die Dauer eines halben Umlaufs).

Der Grund für die ungewöhnliche Richtung der Rotationsachse ist unbekannt.

 

Größe und Aufbau

Uranus ist nach Jupiter und Saturn der drittgrößte Planet des Sonnensystems. Uranus hat etwa 3,3% der Masse aller Planeten des Sonnensystems zusammen. Sein Durchmesser ist mit 51.000 km gut viermal so groß wie der der Erde (s. Bild 1b). Verglichen zur Erde verteilt sich seine 14,5 mal größere Masse auf ein 65 mal größeres Volumen. Seine Dichte ist nur 1,3 g/cm3, das ist ein Viertel der Dichte der Erde. Schon daraus kann man schließen, dass Uranus aus ganz anderen Materialien besteht als die Erde. Er gehört zu den vier „Gasplaneten“ Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun.

 

Bild 2: Innere Struktur des Uranus (FrancescoA, Wikipedia)

 

Im Mantel des Uranus befindet sich Hochdruck-Eis, das auch bei recht hohen Temperaturen fest ist und nicht verdampft. Der Kern aller Riesenplaneten einschließlich Uranus besteht vermutlich aus einer Mischung aus Silikaten (Gesteine) und metallischem Eisen. Im Kern hat Uranus bei sehr hohem Druck eine Temperatur von ca. 5000°C.

Der Mantel geht allmählich mit abnehmendem Druck in eine gasförmige obere Schicht über. Die Atmosphäre ist nicht klar nach unten begrenzt. Als Oberfläche definiert man den Bereich mit 1 bar Druck. Die Schwerkraft an der Oberfläche des Uranus ist etwas geringer als die Schwerkraft an der Oberfläche der Erde. Das liegt daran, dass Uranus zwar wesentlich mehr Masse im Vergleich zur Erde hat, an seiner Oberfläche ist man aber wesentlich weiter vom Mittelpunkt des Planeten entfernt als das bei der Erde der Fall ist. g = 8,87 m/s2 (Uranus) zu g = 9,81 m/s2 (Erde).

 

Oberfläche und Atmosphäre

Die Temperatur an der Oberfläche ist ca. 76 K (Kelvin), also etwa -197°C. Von außen sieht Uranus blass grün-blau aus; man schaut auf seine obere Wolkenschicht. Die Hauptbestandteile der Wolken sowie der Atmosphäre sind Wasserstoff (größter Anteil), Helium und Methan. Diese geringfügige Beimengung von Methan bewirkt die Färbung.

Die Atmosphäre erstreckt sich bis 50.000 km Höhe und weist eine starke Schichtung auf. Infrarotaufnahmen, die vom Hubble-Teleskop aus gemacht wurden, deuten auf ein insgesamt ruhiges Wetter in der Uranusatmosphäre hin. Allerdings wurden auch Windgeschwindigkeiten von bis zu 700 km/h beobachtet.

 

Magnetfeld

Uranus hat ein komplexes Magnetfeld mit 4 magnetischen  Polen, zwei Nord- und zwei Südpolen (Quadrupolfeld). Die Sonde Voyager 2 entdeckte Polarlichterscheinungen. Als Ursache für das Magnetfeld werden der Eisenkern sowie Strömungen von ionisiertem Wasser im Mantel diskutiert.

 

Monde

Uranus hat 27 Monde (Stand 2021). Schon sechs Jahre nach seiner Entdeckung des Planeten stieß William Herschel auf die beiden größten Monde Titania (Durchmesser 1580km) und Oberon (1520km). Diese Uranusmonde sind, wie auch die meisten anderen nach Figuren aus Shakespeare-Dramen benannt worden. Voyager 2 hat zehn weitere Monde entdeckt. 12 weitere Monde kamen durch Beobachtung von der Erde bzw. vom Hubble-Teleskop aus hinzu. Einen dieser kleinen Monde, Perdita, hat man erst 13 Jahre nach dem Voyager-Vorbeiflug auf einem seiner Fotos entdeckt und anschließend bestätigt.

Die fünf größten Monde sind: Titania, Oberon, Ariel, Umbriel, Miranda. Der massereichste Mond ist Titania, er hat nur 5% der Masse des Erdmondes. Trinculo ist der masseärmste und Cupid der kleinste mit 10 km Durchmesser. Die meisten Monde umlaufen Uranus fast genau in seiner Äquatorebene, vor allem die „großen“. Die vier größten Monde sind zwischen 190.000km und 584.000 km von Uranus entfernt. Der Mond Ferdinand hat mit 20 Mio. km den größten Abstand zu Uranus. Acht der Monde umlaufen Uranus in „umgekehrter Richtung“, also entgegen dem Drehsinn seiner Rotation. Es handelt sich in mehreren Fällen um von Uranus eingefangene Asteroiden.

 

Bild 3: Die Fotomontage zeigt fünf Uranusmonde im selben Maßstab. Ganz links ein Stückchen vom Uranus, dann Puck, Miranda, Ariel, Umbriel, Titania und Oberon. (wikipedia.org)

 

Bild 4: Mond Miranda, von Voyager 2 aufgenommen. Man vermutet, dass sich Miranda nach einer Kollision mit einem anderen Himmelskörper aus Bruchstücken zusammenballte.

 

Ringe

Uranus ist von einem Ringsystem umgeben. Es ist zwar nicht so komplex wie das System der Saturnringe, übertrifft aber die Ringsysteme von Jupiter und Neptun deutlich. Schon der Uranus-Entdecker Herschel berichtete, Ringe gesehen zu haben. Es wird aber heute bezweifelt, dass das mit den damaligen technischen Geräten möglich war. Die „moderne“ Entdeckung der ersten Ringe war 1977; einige Jahre später kamen mehrere Ringe, entdeckt durch Voyager 2, hinzu, noch später Entdeckungen mit dem Hubble-Teleskop. Von der Erde aus sind die Uranusringe nur schwer zu beobachten. Es gibt eine indirekte Beobachtungsmöglichkeit, wenn ein Ring die Sicht auf einen Stern, der in derselben Richtung aber weit dahinter liegt, behindert.

 

Bild 5: Uranus mit Ringen und einzelnen Monden. Eine Infrarotaufnahme vom Hubble-Space-Teleskope (wikipedia.org/wiki/Uranus)

 

Heute zählt man 13 Ringe. Einige Wissenschaftler zählen als Ring, was andere als Staubstreifen bezeichnen. Dann kommt man auf 17 Ringe (Stand 2021). Die Liste der Ringe von innen nach außen: ζc, 1986U2R, ζ, 6, 5, 4, α, ß, η, ηc, γ, δc, δ, λ, ε, ν, μ. Sie haben Bahnradien zwischen 38.000km und 98.000km. Vermutlich sind die Ringe nicht besonders alt; man rechnet mit vielleicht 600 Millionen Jahren. Entstanden sein könnte das Ringsystem durch Kollision von größeren Brocken (Monden). Auch heute noch wird wohl Material für die Ringe „nachgeliefert“ durch Kollisionen. Auch ist unklar, wodurch genau die Ring-Partikel auf ihren Bahnen gehalten werden. Sogenannte Schäfermonde mit ihrer Schwerkraft könnten dabei eine Rolle spielen.

 

https://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)_Ruslik

Bild 6 In dieser Schemazeichnung sind Mondbahnen gepunktete Linien; die weißen, blauen und roten Streifen stellen Ringe dar. Ganz oben ist ein Stückchen von Uranus selbst zu sehen. Die meisten Ringe haben nur eine geringe Neigung gegen die Äquatorebene des Uranus. Sie sind überwiegend sehr schmal und dunkel; in diesen fehlt Staub fast völlig. Sie bestehen vor allem aus dunklen (Gesteins-) Brocken von Zentimeter- bis Metergröße. Eis und Staub spielen, im Unterschied z.B. zu den Saturnringen, nur eine geringere Rolle. Es gibt aber auch einige wenige Staubringe.

 

Raumsonden

Voyager 2 startete am 20. August 1977. Nach dem Vorbeiflug an Jupiter und Saturn, die gerade eine günstige Position hatten und Bahnkorrekturen bei Voyager 2 bewirkten, konnte die Sonde ihre Reise zu Uranus fortsetzen. Nach mehr als 8 Jahren Flugzeit flog Voyager 2 im Januar 1986 zuerst am Mond Miranda in nur 29.000 km Abstand vorbei. Der kleinste Abstand zum Planeten selbst betrug 81.600 km. Zahlreiche wissenschaftlicher Daten und Bilder waren die Ausbeute. Anschließend flog Voyager 2 weiter zu Neptun.

Vor und nach Voyager 2 gab und gibt es eine Reihe von Plänen, eine Raumsonde zum Uranus zu schicken, keiner wurde verwirklicht. Eine solche Mission wäre kompliziert und teuer, vor allem, wenn Jupiter und Saturn keine hierfür günstige Position hätten und man deswegen für den Weg zu Uranus ihre Schwerkraft nicht ausnutzen könnte.

 

Quellen und weiterführende Informationen

https://scilogs.spektrum.de/astras-spacelog/keine-lobby-f-r-uranus/

https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Uranus_(Planet)

https://www.br.de/mediathek/video/alpha-centauri-astro-physik-warum-liegt-der-uranus-schief-av:5c198dd9713b2a001867281e

https://www.spektrum.de/wissen/steckbrief-uranus-der-rollende-planet/1203877

https://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)