Mit der Bezeichnung 134340 Pluto ist Pluto ein Zwergplanet im Kuipergürtel, einem riesigen Ring von Himmelskörpern jenseits der Umlaufbahn von Neptun. Es gilt als das neuntgrößte und zehntgrößte Objekt, das die Sonne direkt umkreist. Zwar gilt es volumenmäßig als das größte bekannte transneptunische Objekt, wenn auch nur knapp, seine Masse ist jedoch geringer als die von Eris. Wie andere Objekte des Kuipergürtels besteht Pluto hauptsächlich aus Eis und Gestein und ist deutlich kleiner als die inneren Planeten. Seine Masse beträgt etwa ein Sechstel der des Mondes und sein Volumen beträgt etwa ein Drittel. Ursprünglich als Planet klassifiziert, wurde sein Status neu bewertet, als Astronomen eine neue Definition für den Begriff erstellten, die überarbeitete Kriterien beinhaltete.
Pluto (Kleinplanetenbezeichnung: 134340 Pluto) ist ein Zwergplanet im Kuipergürtel, einem Ring von Körpern jenseits der Umlaufbahn von Neptun. Es ist das neuntgrößte und zehntgrößte bekannte Objekt, das die Sonne direkt umkreist. Es ist mit Abstand das größte bekannte transneptunische Objekt, aber weniger massereich als Eris. Wie andere Objekte des Kuipergürtels besteht Pluto hauptsächlich aus Eis und Gestein und ist viel kleiner als die inneren Planeten. Pluto hat etwa ein Sechstel der Masse des Mondes und ein Drittel seines Volumens. Ursprünglich als Planet betrachtet, änderte sich sein Status, als Astronomen eine neue Definition des Wortes mit neuen Kriterien annahmen.
Plutos Umlaufbahn ist durch mäßige Exzentrizität und Neigung gekennzeichnet, wobei seine Entfernung von der Sonne zwischen 30 und 49 Astronomischen Einheiten (AE) schwankt, was 4,5 bis 7,3 Milliarden Kilometern (2,8 bis 4,6 Milliarden Meilen) entspricht. Bei einer durchschnittlichen Umlaufbahnentfernung von 39,5 AE (5,91 Milliarden km; 3,67 Milliarden Meilen) benötigt das Sonnenlicht 5,5 Stunden, um Pluto zu erreichen. Obwohl seine exzentrische Bahn ihn periodisch näher an die Sonne bringt als Neptun, sorgt ein stabiler Orbitalresonanzmechanismus dafür, dass die beiden Körper nicht kollidieren.
Pluto wird von fünf bekannten Monden umkreist: Charon, der größte mit einem Durchmesser, der mehr als halb so groß ist wie der von Pluto; Styx; Nix; Kerberos; und Hydra. Pluto und Charon werden aufgrund ihres Schwerpunkts, des gemeinsamen Massenschwerpunkts, der außerhalb beider Körper liegt, in Verbindung mit ihrem gezeitengebundenen Zustand gelegentlich als Doppelsternsystem klassifiziert. Die Raumsonde New Horizons führte die erste Entdeckung
Clyde W. Tombaugh durch, die Pluto im Jahr 1930 entdeckte und ihn als erstes identifiziertes Objekt im Kuipergürtel markierte. Ursprünglich galt er allgemein als der neunte Planet. Allerdings wurde seine Planetenklassifizierung einer genauen Prüfung unterzogen, als man feststellte, dass seine Größe erheblich kleiner war als erwartet. Diese Vorbehalte verstärkten sich mit der Entdeckung weiterer Kuipergürtelobjekte ab den 1990er Jahren, insbesondere des massereicheren Streuscheibenobjekts Eris im Jahr 2005. Infolgedessen überarbeitete die Internationale Astronomische Union (IAU) im Jahr 2006 offiziell die Definition eines Planeten und klassifizierte damit Zwergplaneten wie Pluto neu. Dennoch hält eine beträchtliche Anzahl von Planetenastronomen daran fest, Pluto und andere Zwergplaneten als Planeten zu betrachten.
Verlauf
Discovery
In den 1840er Jahren wandte Urbain Le Verrier die Newtonsche Mechanik an, um die Position des damals noch nicht identifizierten Planeten Neptun vorherzusagen, basierend auf seiner Analyse der bei Uranus beobachteten Bahnstörungen. Spätere Beobachtungen von Neptun im späten 19. Jahrhundert veranlassten Astronomen zu der Hypothese, dass ein weiterer, unbekannter Planet, der sich von Neptun unterscheidet, die Umlaufbahn von Uranus beeinflusste.
Im Jahr 1906 initiierte Percival Lowell, ein bekannter Bostoner, der 1894 das Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, gründete, ein umfassendes Forschungsvorhaben, um einen potenziellen neunten Planeten zu lokalisieren, den er „Planet X“ nannte. Im Jahr 1909 schlug Lowell in Zusammenarbeit mit William H. Pickering mehrere mögliche Himmelskoordinaten für diesen hypothetischen Planeten vor. Lowell und sein Observatorium verfolgten diese Suche unter Verwendung mathematischer Berechnungen von Elizabeth Williams bis zu seinem Tod im Jahr 1916 erfolglos. Ohne dass Lowell wusste, hatten seine fotografischen Untersuchungen am 19. März und 7. April 1915 versehentlich zwei schwache Bilder von Pluto aufgenommen; Diese wurden jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht als der Planet identifiziert. Darüber hinaus sind vierzehn weitere Vorbeobachtungen von Pluto bekannt, wobei die früheste vom Yerkes-Observatorium am 20. August 1909 aufgezeichnet wurde.
Nach Percival Lowells Tod geriet seine Witwe Constance Lowell in einen jahrzehntelangen Rechtsstreit mit dem Lowell-Observatorium über den Nachlass ihres Mannes, der die Wiederaufnahme der Suche nach Planet Besonders beeindruckt von seinen astronomischen Illustrationen.
Clyde Tombaughs Aufgabe bestand darin, den Nachthimmel systematisch paarweise zu fotografieren und diese Paare anschließend zu analysieren, um etwaige Himmelskörper zu identifizieren, die ihre Position geändert hatten. Mithilfe eines Blinkkomparators wechselte er schnell zwischen den Ansichten jeder Fotoplatte und erzeugte so eine Bewegungsillusion für Objekte, deren Position oder Aussehen sich über die Bilder hinweg veränderte. Nach fast einem Jahr sorgfältiger Beobachtung identifizierte Tombaugh am 18. Februar 1930 ein potenziell sich bewegendes Objekt auf Platten, die am 23. und 29. Januar aufgenommen wurden. Ein zusätzliches Foto vom 21. Januar, wenn auch von geringerer Qualität, bestätigte diese beobachtete Bewegung. Nachdem das Observatorium weitere bestätigende Bilder erhalten hatte, wurde die Entdeckung am 13. März 1930 offiziell per Telegramm an das Harvard College Observatory bekannt gegeben.
Ein einzelnes plutonisches Jahr umfasst 247,94 Erdenjahre; Folglich wird erwartet, dass Pluto seit seiner Entdeckung im Jahr 2178 seine erste Umlaufbahn vollendet.
Nomenklatur
Die Bezeichnung Pluto geht auf die römische Gottheit der Unterwelt zurück und diente auch als Beiname für Hades, das griechische Gegenstück.
Nach der Bekanntgabe der Entdeckung erhielt das Lowell Observatory mehr als tausend Namensvorschläge. Unter diesen erwiesen sich Minerva, Pluto und Kronus als die führenden Anwärter. Obwohl „Minerva“ ursprünglich von den Lowell-Mitarbeitern favorisiert wurde, wurde sie letztendlich aufgrund ihrer früheren Verwendung für einen Asteroiden abgelehnt. Cronus wurde als ungeeignet erachtet, vor allem weil es von Thomas Jefferson Jackson See befürwortet wurde, einem Astronomen, der als unbeliebt und egozentrisch galt. Anschließend wurde eine Abstimmung durchgeführt, die zur einstimmigen Wahl von „Pluto“ führte. Um die Dauerhaftigkeit dieser Bezeichnung sicherzustellen und eine mögliche Umbenennung zu verhindern, ähnlich den historischen Veränderungen, die Uranus erlebte, reichte das Lowell Observatory den Namen offiziell sowohl bei der American Astronomical Society als auch bei der Royal Astronomical Society ein, die beide einstimmig seine Zustimmung erteilten. Der Name wurde am 1. Mai 1930 offiziell veröffentlicht.
Der Name Pluto gehörte zu den etwa 150 Vorschlägen, die Lowell per Korrespondenz und Telegrammen übermittelt wurden. Der ursprüngliche Vorschlag stammte von Venetia Burney (1918–2009), einer elfjährigen Schülerin aus Oxford, England, die sich für klassische Mythologie interessierte. Sie schlug den Namen ihrem Großvater, Falkner Madan, während eines Familienfrühstücks vor, als er die Nachricht von Plutos Entdeckung teilte. Anschließend übermittelte Madan diesen Vorschlag an den Astronomieprofessor Herbert Hall Turner, der ihn dann am 16. März, drei Tage nach der offiziellen Ankündigung, telegrafisch an seine Kollegen in Lowell weiterleitete.
Die Bezeichnung „Pluto“ galt als mythologisch passend, da die Gottheit Pluto einer der sechs überlebenden Nachkommen Saturns war, deren Geschwister (Jupiter und Neptun sowie Ceres, Juno und Vesta) bereits großen oder kleinen Planeten zugeordnet waren. Sowohl die mythologische Figur als auch der Himmelskörper wurden mit „düsteren“ Domänen in Verbindung gebracht, und die Fähigkeit des Gottes zur Unsichtbarkeit spiegelte den anhaltenden unentdeckten Status des Planeten wider. Darüber hinaus wurde die Auswahl durch den Zufall bekräftigt, dass die beiden Anfangsbuchstaben von Pluto den Initialen von Percival Lowell entsprachen, dessen eigener Name, „Percival“, ein prominenter Vorschlag für den neuen Planeten gewesen war.
Symbol
Plutos Planetensymbol ⟨⟩ wurde seiner Namensgebung entsprechend als Monogramm mit den Buchstaben „PL“ konzipiert. Während dieses Symbol heutzutage in astronomischen Zusammenhängen nur noch selten verwendet wird, ist es in der Astrologie nach wie vor weit verbreitet. Umgekehrt stellt das vorherrschende astrologische Symbol für Pluto, das gelegentlich auch in der Astronomie verwendet wird, einen Reichsapfel dar (der möglicherweise Plutos Kappe der Unsichtbarkeit symbolisiert), der über Plutos Zweizack ⟨⟩ positioniert ist, ein Design, das aus den frühen 1930er Jahren stammt.
Die Bezeichnung „Pluto“ drang schnell in breitere kulturelle Bereiche ein. Berichten zufolge ließ sich Walt Disney 1930 von diesem Namen inspirieren, als er Pluto, den Hundebegleiter von Micky Maus, vorstellte, obwohl der Trickfilmzeichner Ben Sharpsteen den Grund für diese Namenswahl nicht eindeutig ermitteln konnte. Anschließend benannte Glenn T. Seaborg 1941 das neu synthetisierte Element Plutonium nach Pluto und befolgte damit die etablierte Konvention, Elemente nach kürzlich entdeckten Planeten zu benennen, eine Praxis, die zuvor bei Uran (benannt nach Uranus) und Neptunium (benannt nach Neptun) beobachtet wurde.
Der Name „Pluto“ ist in zahlreichen Sprachen weit verbreitet und erscheint oft in verschiedenen transliterierten Formen. Auf Japanisch schlug Houei Nojiri den Calque Meiōsei (冥王星, was „Stern des Königs (Gottes) der Unterwelt“ bedeutet) vor, ein Begriff, der später von Chinesen und Koreanern übernommen wurde. Während einige indische Sprachen den Namen Pluto beibehalten, beziehen sich andere, darunter Hindi, auf ihn mit dem Namen Yama, der hinduistischen Gottheit des Todes. In ähnlicher Weise verwenden polynesische Sprachen häufig den Namen einer einheimischen Unterweltgottheit, beispielhaft dargestellt durch den Māori-Begriff Whiro. Vietnamesisch weicht aufgrund einer phonologischen Einschränkung von der chinesischen Nomenklatur ab: Der chinesisch-vietnamesische Begriff 冥 minh, der „dunkel“ bedeutet, ist ein Homophon für 明 minh, was „hell“ bedeutet. Folglich verwendet Vietnamesisch den Namen Yama, ebenfalls eine buddhistische Gottheit, wiedergegeben als Sao Diêm Vương 星閻王 („Yamas Stern“), der vom chinesischen Begriff 閻王 Yán Wáng / Yìhm Wòhng ("König Yama").
Widerlegung von Planet X
Nach Plutos Entdeckung warfen seine inhärente Helligkeit und das Fehlen einer erkennbaren Scheibe sofort Fragen hinsichtlich seiner Identifizierung als Lowells hypothetischer Planet
Anfangs bestimmten Astronomen die Masse von Pluto, indem sie seinen angenommenen gravitativen Einfluss auf Neptun und Uranus extrapolierten. Im Jahr 1931 schätzte man, dass Plutos Masse ungefähr der Masse der Erde entsprach; Nachfolgende Berechnungen im Jahr 1948 reduzierten diese Schätzung auf ungefähr die Masse des Mars. Seidelmann und Kollegen ermittelten 1971 einen Wert von 0,11±0,02 Erdmassen, basierend auf der Hypothese, dass Pluto die Umlaufbahn von Neptun gravitativ störte. Im Jahr 1976 entdeckten Dale Cruikshank, Carl Pilcher und David Morrison, Forscher an der Universität von Hawaii, Hinweise darauf, dass die Oberfläche von Pluto mit Methaneis bedeckt war, was ihnen erstmals die Berechnung der Albedo von Pluto ermöglichte. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Pluto im Verhältnis zu seiner Größe eine außergewöhnlich hohe Leuchtkraft besaß, was bedeutet, dass seine Masse nicht mehr als 1 Prozent der Erdmasse betragen konnte. Cruikshank und sein Team behaupteten außerdem, dass Plutos Masse, die auf nur ein paar Tausendstel der Erdmasse geschätzt wird, nicht ausreichte, um einen nennenswerten Gravitationseffekt auf die Umlaufbahnen von Uranus oder Neptun auszuüben, und bestätigte damit, dass Tombaughs Entdeckung auf einer umfassenden Beobachtungssuche und nicht auf einer spezifischen Vorhersage beruhte.
Die Entdeckung von Plutos Mond Charon im Jahr 1978 ermöglichte die erste präzise Messung von Plutos Mond Die Masse beträgt etwa 0,2 % der Erdmasse – ein viel zu kleiner Wert, um die beobachteten Bahnabweichungen von Uranus zu erklären. Nachfolgende Untersuchungen für einen alternativen Planeten X, insbesondere die von Robert Sutton Harrington, erwiesen sich als erfolglos. Im Jahr 1992 nutzte Myles Standish Daten aus dem Vorbeiflug der Voyager 2 an Neptun im Jahr 1989, die zu einer 0,5-prozentigen Abwärtskorrektur der Neptun-Massenschätzung – einem Betrag, der der Masse des Mars entspricht – geführt hatten, um den gravitativen Einfluss von Neptun auf Uranus neu zu berechnen. Durch die Einbeziehung dieser überarbeiteten Zahlen wurden die Bahndiskrepanzen und damit die Notwendigkeit eines Planeten Lowells Vorhersage von 1915 bezüglich der Umlaufbahn und Position von Planet X zeigte eine bemerkenswerte Nähe zur tatsächlichen Umlaufbahn von Pluto und seiner Position zu dieser Zeit. Kurz nach Plutos Entdeckung kam Ernest W. Brown zu dem Schluss, dass diese Ausrichtung lediglich ein Zufall war.
Kategorisierung
Ab 1992 wurden zahlreiche Himmelskörper identifiziert, die Plutos Umlaufbahn umkreisen, was die Zugehörigkeit Plutos zu einer bestimmten Population von Objekten beweist, die als Kuipergürtel bekannt sind. Diese Erkenntnis machte den offiziellen Status von Pluto als Planet umstritten und löste eine breite Debatte darüber aus, ob er neben seiner umgebenden Bevölkerung oder als eigenständiger Planet eingestuft werden sollte. Direktoren von Museen und Planetarien sorgten gelegentlich für Kontroversen, indem sie Pluto aus ihren Planetenmodellen für das Sonnensystem ausschlossen. Beispielsweise enthüllte das Hayden Planetarium in New York City im Februar 2000 ein Sonnensystemmodell mit nur acht Planeten, eine Entscheidung, die fast ein Jahr später große Aufmerksamkeit in den Medien erregte.
Ceres, Pallas, Juno und Vesta wurden von den meisten Astronomen nach der umfangreichen Entdeckung anderer Asteroiden in den 1840er Jahren weitgehend von den Planeten umklassifiziert. Umgekehrt unterschieden Planetengeologen häufig Ceres und gelegentlich Pallas und Vesta von kleineren Asteroiden und führten diesen Unterschied auf ihre ausreichende Größe für die geologische Entwicklung zurück. Während die ursprünglich identifizierten Kuipergürtelobjekte relativ klein waren, umfassten spätere Entdeckungen Objekte, die sich zunehmend der Größe von Pluto annäherten, wobei einige (einschließlich Pluto selbst) die geologischen Kriterien für die Existenz eines Planeten erfüllten, jedoch nicht den dynamischen Definitionen entsprachen.
Im Jahr 1998 schlug Brian G. Marsden vom Minor Planet Center der Harvard University vor, Pluto die Kleinplanetenbezeichnung 10000 zuzuweisen und gleichzeitig seinen offiziellen Status als Planet beizubehalten. Die Aussicht auf Plutos „Herabstufung“ rief erheblichen öffentlichen Widerstand hervor und veranlasste die Internationale Astronomische Union (IAU), klarzustellen, dass sie zu diesem Zeitpunkt nicht für die Streichung Plutos von der Planetenliste plädierte.
Während der frühen 2000er Jahre führten Astronomen am Caltech unter der Leitung von Michael E. Brown eine umfassende Himmelsdurchmusterung unter Verwendung fortschrittlicher digitaler Erkennungstechnologie durch, die zur Entdeckung zahlreicher transneptunischer Objekte führte. Ursprünglich wurde geschätzt, dass viele dieser Objekte von der Größe her mit Pluto vergleichbar oder größer seien, was eine wissenschaftliche Debatte über ihre mögliche Klassifizierung als Planeten auslöste. Nachfolgende Neubewertungen führten jedoch zu Abwärtskorrekturen dieser Größenschätzungen aufgrund unerwartet hoher Albedos.
Die Klassifizierungsdebatte verschärfte sich und wurde im Juli 2005 unvermeidlich, als diese Astronomen die Entdeckung von Eris ankündigten, einem Objekt, das nachweislich massereicher als Pluto und der massereichste Körper ist, der seit Triton im Jahr 1846 im Sonnensystem gefunden wurde. Die Medien bezeichneten Eris zunächst als den zehnten Planeten, obwohl kein Planet existierte offizieller Konsens über seinen Planetenstatus zu dieser Zeit. Umgekehrt betrachtete ein Teil der astronomischen Gemeinschaft diese Entdeckung als überzeugenden Beweis für die Neuklassifizierung von Pluto als Kleinplanet.
IAU-Klassifizierung
Die Debatte erreichte ihren Höhepunkt im August 2006 während der alle drei Jahre stattfindenden Tagung der IAU, bei der die uruguayischen Astronomen Julio Ángel Fernández und Gonzalo Tancredi offiziell eine neue Definition für den Begriff „Planet“ vorstellten. Ihr Vorschlag legte drei wesentliche Bedingungen fest, damit ein Objekt im Sonnensystem als Planet betrachtet werden kann:
- Das Objekt muss eine Umlaufbahn um die Sonne beibehalten.
- Das Objekt muss eine ausreichende Masse für seine eigene Schwerkraft besitzen, um es hydrostatisch auszugleichen, was zu einer nahezu kugelförmigen Form führt.
- Das Objekt muss seine Umlaufbahn durch die Schwerkraft von anderen bedeutenden Trümmern befreit haben.
Pluto erfüllt das dritte Kriterium nicht. Seine Masse macht nur das 0,07-fache der Gesamtmasse anderer Objekte in seiner Umlaufbahnumgebung aus, ein starker Kontrast zur Erde, die das 1,7-Millionen-fache der verbleibenden Masse in ihrer Umlaufbahn ausmacht (mit Ausnahme des Mondes). Die IAU entschied daraufhin, dass Himmelskörper wie Pluto, die die ersten beiden Kriterien erfüllen, aber nicht das dritte, als Zwergplaneten bezeichnet werden. Im September 2006 hat die IAU Pluto, Eris und Eris‘ Mond Dysnomia offiziell in ihren Kleinplanetenkatalog aufgenommen und ihnen die offiziellen Kleinplanetenbezeichnungen „(134340) Pluto“, „(136199) Eris“ und „(136199) Eris I Dysnomia“ zugewiesen. Wäre Pluto bei seiner Entdeckung im Jahr 1930 katalogisiert worden, hätte er wahrscheinlich die Bezeichnung 1164 erhalten, in Anlehnung an 1163 Saga, das einen Monat zuvor identifiziert wurde.
Die Neuklassifizierung stieß in der astronomischen Gemeinschaft auf einigen Widerstand, insbesondere bei Planetenforschern, die sie häufig weiterhin ablehnen. Diese Wissenschaftler betrachten Pluto, Charon und Eris oft als Planeten und wenden dabei die gleichen Überlegungen an, die auch für Ceres verwendet wurden, was im Grunde bedeutet, dass nur der zweite Satz der IAU-Definition akzeptiert wird. Alan Stern, der leitende Forscher der NASA-Mission New Horizons zu Pluto, kritisierte öffentlich die IAU-Resolution. Er machte außerdem geltend, dass es der Entscheidung an einer breiten Vertretung der astronomischen Gemeinschaft mangele, da weniger als fünf Prozent der Astronomen an der Abstimmung teilgenommen hätten. Marc W. Buie, damals Mitglied des Lowell Observatory, reichte offiziell eine Petition gegen die Definition ein. Umgekehrt haben andere prominente Persönlichkeiten wie Mike Brown, der Astronom, dem die Entdeckung von Eris zugeschrieben wird, ihre Unterstützung für die Haltung der IAU zum Ausdruck gebracht.
Die öffentliche Reaktion auf die Entscheidung der IAU war unterschiedlich. Die California State Assembly brachte eine Resolution ein, in der die Entscheidung der IAU scherzhaft als „wissenschaftliche Häresie“ bezeichnet wurde. In New Mexico verabschiedete das Repräsentantenhaus eine Resolution zu Ehren von Clyde Tombaugh, dem Entdecker von Pluto und langjährigem Bewohner des Staates. Darin wurde erklärt, dass Pluto für immer als Planet am Himmel von New Mexico gelten würde, und der 13. März 2007 wurde zum Pluto-Planetentag erklärt. In ähnlicher Weise verabschiedete der Senat von Illinois im Jahr 2009 unter Berufung auf Tombaughs Geburt in Illinois eine Resolution, in der behauptet wurde, Pluto sei von der IAU „zu Unrecht zu einem ‚Zwerg‘-Planeten herabgestuft“ worden.
Einige Mitglieder der Öffentlichkeit haben ihre Ablehnung der Neuklassifizierung zum Ausdruck gebracht und ihre Haltung auf die laufende wissenschaftliche Debatte zurückgeführt oder sind von sentimentaler Verbundenheit getrieben und haben Plutos Planetenstatus unabhängig von der Entscheidung der IAU behauptet. Im Jahr 2006 ernannte die American Dialect Society bei ihrer 17. jährlichen Auswahl der Wörter des Jahres plutoed zum Wort des Jahres und definierte „to pluto“ als „eine Entität oder Einzelperson herabstufen oder abwerten“. Darüber hinaus erließ Arizona, der Staat, in dem Pluto 1930 erstmals entdeckt wurde, im April 2024 ein Gesetz, das Pluto offiziell als seinen Staatsplaneten anerkennt.
Im August 2008 trafen sich Wissenschaftler, die unterschiedliche Standpunkte zur Planetendefinition vertraten, im Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University zu einer Konferenz mit ausführlichen Diskussionen über die IAU-Kriterien für Planeten. Diese Veranstaltung mit dem Titel „The Great Planet Debate“ endete mit einer Pressemitteilung, in der anerkannt wurde, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft nicht in der Lage sei, einen endgültigen Konsens über die Definition eines Planeten zu erzielen. Zuvor, im Juni 2008, hatte die IAU eine Pressemitteilung herausgegeben, in der sie den Begriff „Plutoid“ einführte, um Pluto und andere Objekte mit Planetenmasse zu kategorisieren, deren Orbitalhalbachse größer als die von Neptun ist; Diese Nomenklatur hat jedoch keine breite Akzeptanz gefunden.
Umlaufbahn
Pluto vollendet etwa alle 248 Jahre eine Umlaufbahn. Seine Umlaufbahnparameter weichen erheblich von denen der großen Planeten ab, die typischerweise nahezu kreisförmige Bahnen um die Sonne einhalten, die eng an der Ekliptikebene ausgerichtet sind. Im Gegensatz dazu weist die Umlaufbahn von Pluto eine moderate Neigung von mehr als 17° relativ zur Ekliptik auf und besitzt eine bemerkenswerte Exzentrizität, die sie elliptisch macht. Diese ausgeprägte Exzentrizität führt dazu, dass ein Abschnitt der Umlaufbahn von Pluto der Sonne periodisch näher kommt als die Umlaufbahn von Neptun. Der Schwerpunkt des Pluto-Charon-Systems erreichte am 5. September 1989 sein Perihel und befand sich im Zeitraum vom 7. Februar 1979 bis zum 11. Februar 1999 näher an der Sonne als Neptun.
Obwohl Pluto eine Orbitalresonanz von 3:2 mit Neptun aufrechterhielt, zeigen die Neigung und Exzentrizität von Pluto ein chaotisches Verhalten. Während Computermodelle seine Umlaufbahnposition für mehrere Millionen Jahre in der Vergangenheit und Zukunft vorhersagen können, werden Vorhersagen über Intervalle hinaus, die die Lyapunov-Zeit von 10–20 Millionen Jahren deutlich überschreiten, unzuverlässig. Diese Unzuverlässigkeit ist auf Plutos extreme Empfindlichkeit gegenüber winzigen, unermesslichen Details innerhalb des Sonnensystems zurückzuführen, die unvorhersehbare Faktoren darstellen, die seine Umlaufbahn allmählich verändern.
Die große Halbachse von Plutos Umlaufbahn schwankt über einen Zeitraum von etwa 19.951 Jahren zwischen etwa 39,3 und 39,6 AE, was einer Umlaufperiode von 246 bis entspricht 249 Jahre. Derzeit wird beobachtet, dass sowohl seine große Halbachse als auch seine Umlaufzeit zunehmen.
Beziehung mit Neptun
Obwohl die Umlaufbahn von Pluto aus Perspektiven nördlich oder südlich des Sonnensystems optisch so aussieht, als schneide sie die von Neptun, kreuzen sich die Flugbahnen dieser beiden Himmelskörper tatsächlich nicht. Während seines Perihels, wenn Pluto der Sonne am nächsten ist und von diesen Aussichtspunkten aus scheinbar in der Nähe der Umlaufbahn von Neptun liegt, erreicht er gleichzeitig seine maximale nördliche Verschiebung relativ zur Umlaufebene von Neptun. Konkret behält Plutos Umlaufbahn einen Abstand von etwa 8 AE nördlich von Neptun bei und schließt so jede mögliche Kollision aus.
Diese räumliche Trennung allein reicht jedoch nicht aus, um Pluto zu schützen, da Gravitationsstörungen durch andere Planeten, insbesondere Neptun, Plutos Umlaufbahn, einschließlich seiner Umlaufbahnpräzession, über Millionen von Jahren hinweg allmählich verändern könnten, was möglicherweise zu einer Kollision führen könnte. Entscheidend ist, dass Pluto darüber hinaus durch eine stabile 2:3-Bahnresonanz mit Neptun geschützt ist: Für alle zwei vollständigen Umlaufbahnen, die Pluto um die Sonne durchführt, vollendet Neptun genau drei. Diese Beziehung wird innerhalb eines Referenzrahmens beobachtet, der sich mit der Präzessionsrate von Plutos Perihel dreht, die ungefähr 0,97×10−4 Grad pro Jahr beträgt.
Dieser Resonanzzyklus erstreckt sich über etwa 495 Jahre. Zahlreiche andere Himmelskörper, zusammenfassend als Plutinos bezeichnet, teilen diese identische Orbitalresonanz. Derzeit ist Neptun innerhalb jedes 495-Jahres-Zyklus, wenn Pluto zum ersten Mal sein Perihel erreicht (z. B. 1989), 57° vor Pluto positioniert. Bei Plutos anschließender Perihelpassage wird Neptun weitere 1,5 Umlaufbahnen absolviert haben und sich damit 123° hinter Pluto befinden. Die größte Annäherung zwischen Pluto und Neptun beträgt mehr als 17 AE, eine Entfernung, die größer ist als Plutos minimaler Abstand von Uranus, der 11 AE beträgt. Interessanterweise fällt der minimale Abstand zwischen Pluto und Neptun typischerweise mit Plutos Aphel zusammen.
Die 2:3-Orbitalresonanz zwischen Pluto und Neptun zeigt eine außergewöhnliche Stabilität, die über Millionen von Jahren anhielt. Diese Stabilität verhindert wirksam signifikante Veränderungen ihrer relativen Umlaufbahnen und stellt so sicher, dass die beiden Körper nie zu nahen Begegnungen kommen. Selbst in einem hypothetischen Szenario, in dem Plutos Umlaufbahn keine Neigung hätte, würde diese Resonanz jede Kollision zwischen den beiden Himmelsobjekten ausschließen.
Eine geringfügige Abweichung in Plutos Umlaufperiode von der 3:2-Resonanz mit Neptun führt zu einer allmählichen Änderung seines Abstandsmusters relativ zu Neptun. Während seines Perihels bewegt sich Pluto innerhalb der Umlaufbahn von Neptun und beschleunigt dadurch. Diese Beschleunigung führt dazu, dass Pluto sich Neptun während der ersten Umlaufbahn des 495-Jahres-Zyklus von hinten nähert. Derzeit hält Pluto ein Jahrhundert lang (z. B. von 1937 bis 2036) eine Position zwischen 50° und 65° hinter Neptun.
Die gegenseitige Gravitationswechselwirkung zwischen den beiden Himmelskörpern erleichtert die Übertragung von Drehimpulsen auf Pluto. Dieser Transfer treibt Pluto in eine geringfügig größere Umlaufbahn und verlängert dadurch seine Umlaufzeit, im Einklang mit dem dritten Keplerschen Gesetz. Nach mehreren Iterationen dieses Prozesses erfährt Pluto eine ausreichende Verzögerung, so dass er während des zweiten Perihels jedes Zyklus Neptun nicht mehr deutlich voraus ist, da dieser sich von hinten nähert; Anschließend beginnt Neptun, die Umlaufzeit von Pluto erneut zu verkürzen. Die Gesamtheit dieses zyklischen Phänomens erstreckt sich über etwa 20.000 Jahre.
Andere Faktoren
Computergestützte Analysen deuten darauf hin, dass die grundlegende Konfiguration der Orbitalausrichtung zwischen Pluto und Neptun über geologische Zeitskalen hinweg, die sich über Millionen von Jahren erstrecken, konsistent bleibt. Zahlreiche andere Resonanzen und Gravitationswechselwirkungen tragen zur Stabilität der Umlaufbahn von Pluto bei. Diese Phänomene sind in erster Linie auf zwei zusätzliche Mechanismen zurückzuführen, die sich von der etablierten 2:3-Mean-Motion-Resonanz unterscheiden.
Erstens weist Plutos Perihel-Argument, definiert als der Winkel zwischen seinem aufsteigenden Knoten (wo er die Ekliptik oder invariante Ebene schneidet) und seinem Perihel (dem Punkt der größten Annäherung an die Sonne), eine Libration von etwa 90° auf. Folglich erreicht Pluto in seinem Perihel seine maximale nördliche Verschiebung von der invarianten Ebene des Sonnensystems, wodurch eine enge Begegnung mit Neptun ausgeschlossen ist. Dieses Phänomen wird dem Kozai-Mechanismus zugeschrieben, der eine Korrelation zwischen der Exzentrizität einer Umlaufbahn und ihrer Neigung relativ zu einem massereicheren Störkörper, in diesem Zusammenhang insbesondere Neptun, herstellt. In Bezug auf Neptun beträgt die Librationsamplitude 38°, was sicherstellt, dass der Winkelabstand zwischen Plutos Perihel und Neptuns Umlaufbahn durchweg 52° (90°–38°) überschreitet. Der minimale Winkelabstand dieser Konfiguration wiederholt sich ungefähr alle 10.000 Jahre.
Zweitens zeigen die Längengrade der aufsteigenden Knoten für beide Himmelskörper – die ihre Schnittpunkte mit der invarianten Ebene darstellen – eine nahezu resonante Beziehung mit der oben genannten Libration. Wenn diese beiden Längengrade zusammenfallen, was eine kollineare Ausrichtung beider Knoten mit der Sonne impliziert, befindet sich Plutos Perihel genau bei 90° und ist damit der Sonne am nächsten, während er gleichzeitig seine maximale Nordauslenkung von Neptuns Umlaufbahnebene aufweist. Diese spezielle Konfiguration wird als 1:1-Superresonanz bezeichnet. Die Bildung dieser Superresonanz beinhaltet den kollektiven Einfluss aller Jupiterplaneten, nämlich Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.
Rotation
Plutos siderische Rotationsperiode, die seinen Tag darstellt, beträgt genau 6,387 Erdentage. Ähnlich wie Uranus und der Asteroid 2 Pallas weist Pluto eine retrograde Rotation innerhalb seiner Orbitalebene auf, die durch eine axiale Neigung von 120° gekennzeichnet ist, was zu ausgeprägten jahreszeitlichen Schwankungen führt. Während der Sonnenwende erfährt etwa ein Viertel seiner Oberfläche ständiges Tageslicht, während ein weiteres Viertel in ständiger Dunkelheit bleibt. Die Ätiologie dieser anomalen Orientierung ist Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen. Von der University of Arizona durchgeführte Untersuchungen legen nahe, dass dieses Phänomen auf die inhärente Tendenz eines Himmelskörpers zurückzuführen sein könnte, seine Spinkonfiguration anzupassen, um minimale Energiezustände zu erreichen. Eine solche Anpassung würde eine Umverteilung der überschüssigen Masse in Richtung der Äquatorregionen mit sich bringen, während Gebiete mit geringem Massegehalt in Richtung der Pole wandern würden. Dieser Prozess wird als Polarwanderung bezeichnet.
Eine Veröffentlichung der University of Arizona geht davon aus, dass dieser Effekt durch die Ansammlung gefrorener Stickstoffmassen in den ständig im Schatten befindlichen Regionen des Zwergplaneten hervorgerufen werden könnte. Solche angesammelten Massen würden eine Neuausrichtung des Körpers auslösen, was zu seiner ausgeprägten axialen Neigung von 120° führen würde. Die Anreicherung von Stickstoff ist direkt auf Plutos beträchtliche heliozentrische Entfernung zurückzuführen. Die Temperaturen am Äquator können auf –240 °C (–400,0 °F; 33,1 K) sinken, was das Gefrieren von Stickstoff auf eine Weise erleichtert, die dem Gefrieren von Wasser auf der Erde ähnelt. Ein analoges Polarwanderphänomen, wie es auf Pluto beobachtet wurde, würde sich auf der Erde manifestieren, wenn die antarktische Eisdecke wesentlich massiver wäre.
Geologie
Oberfläche
Die ausgedehnten Ebenen auf Plutos Oberfläche bestehen hauptsächlich zu über 98 Prozent aus Stickstoffeis, ergänzt durch Spuren von Methan und Kohlenmonoxid. Stickstoff und Kohlenmonoxid weisen ihre höchsten Konzentrationen auf Plutos Anti-Charon-Hemisphäre auf (ungefähr 180° Längengrad, einschließlich Sputnik Planitia, dem westlichen Lappen der Tombaugh Regio), während Methan in der Nähe von 300° östlicher Länge vorherrscht. Die Gebirgsformationen bestehen aus Wassereis. Plutos Oberfläche weist eine beträchtliche Heterogenität auf, die durch erhebliche Unterschiede sowohl in der Albedo als auch in den chromatischen Eigenschaften gekennzeichnet ist.
Pluto weist einen der ausgeprägtesten Oberflächenkontraste im Sonnensystem auf, vergleichbar mit dem, der auf dem Saturnmond Iapetus beobachtet wird. Seine Färbung reicht von Anthrazitschwarz bis Dunkelorange und Weiß. Plutos chromatische Eigenschaften weisen eine größere Ähnlichkeit mit Io auf und weisen einen etwas orangeren Farbton und deutlich weniger Rot als Mars auf. Zu den herausragenden geografischen Merkmalen gehören die Tombaugh Regio, auch bekannt als „Herz“, eine beträchtliche helle Region auf der Hemisphäre gegenüber von Charon; Belton Regio oder der „Wal“, eine große dunkle Fläche auf der hinteren Hemisphäre; und die „Brass Knuckles“, eine Abfolge dunkler äquatorialer Zonen auf der vorderen Hemisphäre.
Sputnik Planitia, der westliche Lappen des „Herzens“, ist ein 1.000 km breites Becken, das aus gefrorenem Stickstoff- und Kohlenmonoxid-Eis besteht. Dieses Becken ist in vieleckige Zellen unterteilt, die als Konvektionszellen interpretiert werden, die schwimmende Blöcke aus Wassereiskruste und Sublimationsgruben in Richtung ihrer Peripherie transportieren. Es gibt deutliche Anzeichen für Gletscherströme sowohl beim Ein- als auch beim Austritt aus dem Becken. Das Fehlen sichtbarer Krater, wie von New Horizons beobachtet, lässt auf ein Oberflächenalter von weniger als 10 Millionen Jahren schließen. Jüngste Untersuchungen haben ergeben, dass das Oberflächenalter etwa 180000+90000
−40000 Jahre beträgt. Das Wissenschaftsteam von New Horizons fasste seine ersten Ergebnisse zusammen und stellte fest, dass „Pluto eine überraschend große Vielfalt an geologischen Landformen aufweist, einschließlich solcher, die aus glaziologischen und Oberflächen-Atmosphäre-Wechselwirkungen sowie aus Impakt-, tektonischen, möglichen kryovulkanischen und massenverschwendenden Prozessen resultieren.“
In den westlichen Regionen von Sputnik Planitia wurden quer verlaufende Dünenfelder beobachtet, die durch Winde aus der Mitte des Beckens geformt wurden auf die angrenzenden Berge ausgerichtet. Diese Dünen weisen Wellenlängen im Bereich von 0,4 bis 1 km auf und bestehen vermutlich aus Methanpartikeln mit einer Größe von etwa 200–300 μm.
Interne Struktur
Pluto besitzt eine Dichte von 1,853±0,004 g/cm§56§. Angesichts der Tatsache, dass der Zerfall radioaktiver Elemente letztendlich ausreichend Wärme erzeugen würde, um die Trennung von Eis und Gesteinsmaterial zu erleichtern, nehmen Wissenschaftler an, dass Plutos innere Struktur differenziert ist. Diese Differenzierung würde dazu führen, dass sich Gesteinsmaterial in einem dichten Kern ablagert, der von einem Mantel aus Wassereis umgeben ist. Vor der New Horizons-Mission betrug der geschätzte Durchmesser des Kerns 1700 km, was 70 % des Gesamtdurchmessers von Pluto entspricht.
Diese innere Erwärmung könnte anhalten und möglicherweise einen unterirdischen Ozean aus flüssigem Wasser mit einer geschätzten Dicke von 100 bis 180 km an der Kern-Mantel-Grenze aufrechterhalten. Im September 2016 führten Forscher der Brown University Simulationen des Einschlags durch, der vermutlich zu Sputnik Planitia geführt hat. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bildung des Beckens durch das Aufsteigen von flüssigem Wasser unter der Oberfläche nach der Kollision entstanden sein könnte, was auf das Vorhandensein eines unterirdischen Ozeans mit einer Mindesttiefe von 100 km hinweist.
Im Juni 2020 legten Astronomen Beweise vor, die darauf hindeuten, dass Pluto in seinen frühen Entstehungsstadien einen unterirdischen Ozean besessen haben könnte und daher möglicherweise bewohnbar war. Anschließend stellte ein Forschungsteam im März 2022 fest, dass die als Wright Mons und Piccard Mons bekannten Formationen eine Verschmelzung zahlreicher kleinerer kryovulkanischer Kuppeln darstellen. Diese Interpretation impliziert die Existenz einer inneren Wärmequelle im Körper in Größenordnungen, die bisher als unwahrscheinlich galten.
Masse und Größe
Plutos Durchmesser beträgt 2.376,6±1,6 km und seine Masse wird als (1,303±0,003)ק1213§22 kg berechnet, was 17,7 % der Mondmasse und 0,22 % der Erdmasse entspricht. Die Oberfläche von Pluto beträgt ungefähr 1,774443ק222324§ km§2526§, was geringfügig größer ist als die Landmasse Russlands oder der Antarktis (insbesondere unter Berücksichtigung des antarktischen Meereises im Winter). Seine Oberflächengravitation beträgt 0,063 g, im Gegensatz zu 1 g auf der Erde und 0,17 g auf dem Mond. Folglich besitzt Pluto eine Fluchtgeschwindigkeit von 4.363,2 km pro Stunde (2.711,167 Meilen pro Stunde), deutlich niedriger als die 40.270 km pro Stunde (25.020 Meilen pro Stunde) der Erde. Plutos Durchmesser ist mehr als doppelt so groß wie der von Ceres, dem größten Objekt im Asteroidengürtel, und seine Masse ist ein Dutzend Mal größer. Obwohl Pluto einen größeren Durchmesser von 2.376,6 km im Vergleich zum ungefähren Durchmesser von Eris von 2.326 km hat, ist er weniger massereich als der Zwergplanet Eris, ein transneptunisches Objekt, das 2005 identifiziert wurde.
Pluto besitzt eine deutlich geringere Masse als die Erdplaneten, insbesondere weniger als 0,2 Mondmassen, und ist außerdem weniger massereich als sieben große Monde: Ganymed, Titan, Callisto, Io, Erdmond, Europa und Triton. Die Identifizierung von Charon, Plutos Satellit, im Jahr 1978 ermöglichte die genaue Berechnung der Gesamtmasse des Pluto-Charon-Systems durch die Anwendung von Newtons Anpassung des dritten Keplerschen Gesetzes. Nachfolgende Beobachtungen von Pluto während Bedeckungen mit Charon gaben Wissenschaftlern die Möglichkeit, den Durchmesser von Pluto mit größerer Präzision zu bestimmen, während das Aufkommen der adaptiven Optik-Technologie eine genauere Beurteilung seiner Form ermöglichte.
Genaue Messungen der Abmessungen von Pluto waren aufgrund der Anwesenheit seiner Atmosphäre und eines allgegenwärtigen Kohlenwasserstoffnebels schwierig. Im März 2014 haben Lellouch, de Bergh et al. präsentierte Forschungsergebnisse, die auf Methanmischungsverhältnisse in der Atmosphäre von Pluto schließen ließen, die mit einem plutonischen Durchmesser von mehr als 2.360 km übereinstimmten, mit einem geschätzten optimalen Wert von 2.368 km. Anschließend, am 13. Juli 2015, ermittelten Bilder, die vom Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) an Bord der NASA-Mission New Horizons aufgenommen wurden, in Kombination mit Daten anderer Bordinstrumente zunächst den Durchmesser von Pluto auf 2.370 km (1.473 Meilen). Diese Messung wurde anschließend am 24. Juli auf 2.372 km (1.474 Meilen) verfeinert und später auf 2374±8 km angepasst. Eine weitere Analyse unter Verwendung von Radiookkultationsdaten des New Horizons Radio Science Experiment (REX) ergab einen Durchmesser von 2.376,6±1,6 km.
Atmosphäre
Pluto besitzt eine dünne Atmosphäre, die hauptsächlich aus Stickstoff (N2), Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) besteht, die alle im Gleichgewicht mit ihren entsprechenden Oberflächeneissorten stehen. Von New Horizons durchgeführte Messungen deuten auf einen Oberflächendruck von etwa 1 Pa (10 μbar) hin, was einer Größenordnung entspricht, die etwa eine Million bis 100.000 Mal niedriger ist als der atmosphärische Druck der Erde. Ursprünglich wurde die Hypothese aufgestellt, dass Plutos Atmosphäre nach und nach auf seiner Oberfläche gefrieren würde, wenn sich der Zwergplanet von der Sonne entfernte; Nachfolgende Analysen der Daten von New Horizons und bodengestützte Bedeckungsbeobachtungen zeigen jedoch eine Zunahme der atmosphärischen Dichte von Pluto, was darauf hindeutet, dass Pluto während seiner gesamten Umlaufbahn in einem gasförmigen Zustand verbleibt.
Beobachtungen von New Horizons ergaben, dass die atmosphärische Entweichungsrate von Stickstoff 10.000-mal geringer war als erwartet. Alan Stern hat postuliert, dass selbst eine geringfügige Erhöhung der Oberflächentemperatur von Pluto zu einem exponentiellen Anstieg seiner atmosphärischen Dichte führen könnte, der möglicherweise zwischen 18 hPa und 280 hPa liegt (entspricht dem Dreifachen der Dichte des Mars oder einem Viertel der Dichte der Erde). Bei solch erhöhten Dichten könnte sich Stickstoff als flüssiger Fluss über die Oberfläche manifestieren. Analog zur verdunstungskühlenden Wirkung des Schweißes auf den menschlichen Körper trägt die Sublimation der Pluto-Atmosphäre zur Abkühlung seiner Oberfläche bei. Pluto weist entweder eine fehlende oder eine äußerst minimale Troposphäre auf; Daten von New Horizons deuten auf das Vorhandensein lediglich einer dünnen troposphärischen Grenzschicht hin. Am Messort hatte diese Schicht eine Dicke von 4 km und verzeichnete eine Temperatur von 37 ± 3 K. Darüber hinaus ist diese Schicht nicht kontinuierlich.
Im Juli 2019 zeigte ein Bedeckungsereignis mit Beteiligung von Pluto einen unerwarteten Rückgang seines Atmosphärendrucks um 20 % seit 2016. Anschließend, im Jahr 2021, bestätigten Astronomen des Southwest Research Institute diesen Befund durch die Analyse von Daten aus dem Jahr 2018 Bedeckung. Diese Analyse zeigte, dass das Licht hinter Plutos Scheibe weniger allmählich austrat, ein Phänomen, das auf eine schwächer werdende Atmosphäre hinweist.
Das Vorhandensein von Methan, einem starken Treibhausgas, in Plutos Atmosphäre führt zu einer Temperaturinversion, was zu einer durchschnittlichen atmosphärischen Temperatur führt, die mehrere Dutzend Grad höher ist als die seiner Oberfläche. Beobachtungen von New Horizons haben jedoch gezeigt, dass die obere Atmosphäre von Pluto erheblich kälter ist als ursprünglich vorhergesagt (70 K, im Gegensatz zu etwa 100 K). Plutos Atmosphäre ist in etwa 20 verschiedene, regelmäßig verteilte Dunstschichten geschichtet, die sich bis zu einer Höhe von 150 km erstrecken. Es wird angenommen, dass diese Schichten von Druckwellen stammen, die durch atmosphärische Strömungen über Plutos bergigem Gelände erzeugt werden.
Natürliche Satelliten
Das plutonische System umfasst fünf identifizierte natürliche Satelliten. Charon, der größte und innerste dieser Monde, wurde erstmals 1978 vom Astronomen James Christy identifiziert. Es ist auch der einzige plutonische Mond, der sich möglicherweise im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Charons beträchtliche Masse verschiebt den Schwerpunkt des Pluto-Charon-Systems über die physikalischen Grenzen von Pluto hinaus. Hinter Charon umkreisen vier wesentlich kleinere zirkumbinäre Monde das System. Dies sind in zunehmender Reihenfolge der Entfernung von Pluto: Styx, Nix, Kerberos und Hydra. Nix und Hydra wurden 2005 entdeckt, gefolgt von Kerberos im Jahr 2011 und Styx im Jahr 2012. Die Umlaufbahnen dieser Satelliten weisen eine geringe Exzentrizität (unter 0,006) auf und liegen koplanar mit Plutos Äquator (Neigung weniger als 1°), was zu einer Neigung von etwa 120° relativ zur Umlaufebene von Pluto führt. Dieses äußerst kompakte plutonische System beschränkt alle fünf bekannten Satelliten auf die innersten 3 % der Region, in der progressive Umlaufbahnen die Stabilität aufrechterhalten könnten.
Die Umlaufperioden von Plutos gesamtem Satellitensystem sind durch eine komplexe Anordnung von Umlaufbahnresonanzen und Nahresonanzen miteinander verbunden. Insbesondere unter Berücksichtigung der Präzession weisen die Umlaufzeiten von Styx, Nix und Hydra ein genaues Verhältnis von 18:22:33 auf. Darüber hinaus besteht ein ungefähres Verhältnis von 3:4:5:6 zwischen den Umlaufperioden von Styx, Nix, Kerberos und Hydra im Vergleich zu Charon, wobei diese Verhältnisse für die weiter entfernten Monde eine höhere Genauigkeit erreichen.
Das Pluto-Charon-System stellt einen der seltenen Fälle im Sonnensystem dar, bei dem der Schwerpunkt außerhalb des Primärkörpers liegt; Das Patroklos-Menoetius-System bietet ein kleineres Analogon, während das Sonne-Jupiter-System das einzige größere Beispiel ist. Aufgrund der vergleichbaren Größe von Charon und Pluto haben einige Astronomen vorgeschlagen, ihn als Doppelzwergplanet zu klassifizieren. Dieses System unterscheidet sich unter den Planetenkonfigurationen außerdem durch seine gegenseitige Gezeitenverriegelung, was bedeutet, dass Pluto und Charon einander ständig die gleiche Hemisphäre präsentieren – eine Eigenschaft, die nur in einem anderen bekannten System, Eris und Dysnomia, beobachtet wurde. Folglich bleibt von jedem Standpunkt eines Himmelskörpers aus der andere fest am Himmel oder dauerhaft verdeckt. Dieses Phänomen erfordert auch, dass die Rotationsperiode jedes Körpers genau mit der Umlaufperiode des gesamten Systems um seinen Schwerpunkt übereinstimmt.
Die Entstehung der Plutomonde ist vermutlich das Ergebnis einer katastrophalen Kollision zwischen Pluto und einem vergleichbar großen Himmelskörper in den frühen Stadien der Entwicklung des Sonnensystems. Bei diesem Einschlagereignis wurde beträchtliches Material ausgestoßen, das sich anschließend ansammelte und die Satelliten bildete, die Pluto umkreisten.
Quasi-satellit
Berechnungen aus dem Jahr 2012 deuten darauf hin, dass das Objekt 15810 Arawn als Quasi-Satellit von Pluto fungieren könnte und eine bestimmte koorbitale Konfiguration darstellt. Diese Berechnungen legten nahe, dass Arawn innerhalb jedes Zwei-Millionen-Jahres-Zyklus etwa 350.000 Jahre lang eine Quasi-Satellitenbeziehung mit Pluto aufrechterhalten würde. Nachfolgende Messungen der Raumsonde New Horizons im Jahr 2015 ermöglichten eine genauere Bestimmung der Umlaufbahn von Arawn und bestätigten die ersten Ergebnisse. Dennoch besteht unter Astronomen nach wie vor kein Konsens darüber, ob Arawn aufgrund seiner Umlaufdynamik als Quasi-Satellit von Pluto eingestuft wird, da seine Flugbahn überwiegend von Neptun bestimmt wird und es nur selten zu Störungen durch Pluto kommt.
Ursprung
Der Ursprung und die genaue Identität von Pluto stellten die Astronomen historisch gesehen vor ein großes Rätsel. Eine erste Hypothese ging davon aus, dass Pluto als entflohener Neptunmond entstand, der von Neptuns größtem Satelliten Triton aus seiner Umlaufbahn verdrängt wurde. Diese Annahme wurde jedoch später durch dynamische Studien widerlegt, die ihre Unmöglichkeit aufgrund der konstanten Umlaufbahnentfernung von Pluto zu Neptun zeigten.
Plutos endgültige Position im Sonnensystem wurde erst 1992 deutlich, als zahlreiche kleine, eisige transneptunische Objekte entdeckt wurden, die in Umlaufbahn, Größe und Zusammensetzung Ähnlichkeiten mit Pluto aufwiesen. Diese Population transneptunischer Objekte gilt als Vorläufer vieler kurzperiodischer Kometen. Pluto selbst gilt als größter Bestandteil des Kuipergürtels, einer stabilen Region von Himmelskörpern, die zwischen 30 und 50 AE von der Sonne entfernt liegt. Bis 2011 waren umfassende Untersuchungen des Kuipergürtels bis zur Stärke 21 weitgehend abgeschlossen, was darauf hindeutet, dass sich alle unentdeckten Objekte in Plutogröße wahrscheinlich weiter als 100 AE von der Sonne entfernt befinden würden.
Ähnlich wie andere Kuipergürtelobjekte (KBOs) weist Pluto kometenähnliche Eigenschaften auf; Beispielsweise erodiert der Sonnenwind Plutos Oberfläche zunehmend in den Weltraum. Eine Vermutung besagt, dass Pluto einen Kometenschweif aufweisen würde, wenn er sich in einer mit der der Erde vergleichbaren Umlaufbahnentfernung befänden. Diese Behauptung wurde jedoch bestritten und Plutos ausreichend hohe Fluchtgeschwindigkeit als hinderlichen Faktor angeführt. Alternativ wurde die Theorie aufgestellt, dass Plutos Entstehung auf die Ansammlung zahlreicher Kometen und anderer Objekte des Kuipergürtels zurückzuführen sein könnte.
Während Pluto als das größte entdeckte Objekt des Kuipergürtels gilt, weist der Neptunmond Triton, der größer als Pluto ist, sowohl geologische als auch atmosphärische Ähnlichkeiten auf, was zu der Hypothese führt, dass es sich um ein eingefangenes Objekt des Kuipergürtels handelt. Eris, der in seiner Größe mit Pluto vergleichbar ist, aber über eine größere Masse verfügt, wird nicht streng als Mitglied der Kuipergürtelpopulation kategorisiert; Stattdessen wird es in die entsprechende Streuscheibenpopulation eingeordnet.
Übereinstimmend mit anderen Bestandteilen des Kuipergürtels wird angenommen, dass Pluto ein Restplanetesimal ist – ein Element der ursprünglichen protoplanetaren Scheibe, die die Sonne umgibt und sich nicht vollständig zu einem vollständigen Planeten zusammenfügte. Ein Konsens unter Astronomen legt nahe, dass Plutos aktuelle Orbitalkonfiguration auf eine schnelle Auswanderung von Neptun in den frühen Stadien der Entwicklung des Sonnensystems zurückzuführen ist. Diese Bewegung nach außen brachte Neptun in die Nähe von Objekten im Proto-Kuiper-Gürtel, was dazu führte, dass eines davon (Triton) in die Umlaufbahn gelangte, Resonanzbeziehungen zu anderen aufbauten und einige in chaotische Flugbahnen versetzten. Es wird angenommen, dass die Körper innerhalb der Streuscheibe, einer dynamisch instabilen Zone, die an den Kuipergürtel angrenzt, ihre aktuellen Standorte durch Wechselwirkungen mit den wandernden Resonanzen Neptuns erreicht haben.
Ein 2004 von Alessandro Morbidelli am Observatoire de la Côte d'Azur in Nizza entwickeltes Rechenmodell schlug vor, dass die Wanderung Neptuns in den Kuipergürtel möglicherweise durch die Gründung eines eingeleitet wurde 1:2-Resonanz zwischen Jupiter und Saturn. Diese Resonanz erzeugte einen Gravitationsimpuls, der sowohl Uranus als auch Neptun in weiter entfernte Umlaufbahnen trieb, wodurch sie ihre Positionen tauschten und Neptuns heliozentrische Entfernung effektiv verdoppelte. Der anschließende Auswurf von Objekten aus dem Proto-Kuiper-Gürtel könnte zusätzlich für das späte schwere Bombardement verantwortlich sein, das etwa 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems stattfand, und die Entstehung der Jupiter-Trojaner aufklären. Es ist denkbar, dass Pluto vor Neptuns Wanderung eine nahezu kreisförmige Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 33 AE von der Sonne aufrechterhielt, was ihn anschließend in eine Resonanzeinfangphase versetzte. Das Nice-Modell postuliert die Existenz von etwa tausend Pluto-großen Körpern, darunter Triton und Eris, innerhalb der ursprünglichen Planetesimalscheibe.
Beobachtung und Erkundung
Beobachtung
Die beträchtliche Entfernung von Pluto von der Erde stellt seine umfassende Untersuchung und direkte Erkundung vor große Herausforderungen. Seine durchschnittliche visuelle scheinbare Helligkeit beträgt 15,1 und nimmt während des Perihels auf 13,65 ab. Daher ist eine teleskopische Beobachtung erforderlich, wobei eine Öffnung von etwa 30 cm (12 Zoll) empfohlen wird. Selbst bei Betrachtung durch leistungsstarke Teleskope erscheint Pluto aufgrund seines maximalen Winkeldurchmessers von 0,11 Bogensekunden stellar und weist keine erkennbare Scheibe auf.
Die ersten kartografischen Darstellungen von Pluto, die Ende der 1980er Jahre entwickelt wurden, umfassten Helligkeitskarten, die aus sorgfältigen Beobachtungen von Finsternissen seines größten Mondes, Charon, abgeleitet wurden. Diese Beobachtungen konzentrierten sich auf die Quantifizierung von Schwankungen der gesamten durchschnittlichen Leuchtkraft des Pluto-Charon-Systems während Finsternisereignissen. Beispielsweise führt die Bedeckung einer leuchtenden Region auf Pluto zu einer stärkeren Veränderung der Gesamthelligkeit als die Bedeckung eines dunkleren Bereichs. Die umfangreiche rechnerische Verarbeitung zahlreicher solcher Beobachtungen erleichtert die Erstellung einer Helligkeitskarte, eine Technik, mit der auch zeitliche Änderungen der Leuchtkraft überwacht werden können.
Verbesserte kartografische Daten wurden anschließend aus Bildern generiert, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop (HST) aufgenommen wurden. Diese lieferten eine höhere Auflösung und zeigten deutlich mehr Details, indem sie Merkmale mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Kilometern auflösten, wie z. B. Polarregionen und markante helle Bereiche. Die Erstellung dieser Karten erforderte eine hochentwickelte Rechenverarbeitung, um aus den begrenzten Pixeldaten der Hubble-Bilder optimale projizierte Darstellungen abzuleiten. Diese Karten stellten die umfassendsten Darstellungen von Pluto bis zum Vorbeiflug von New Horizons im Juli 2015 dar, da die beiden für ihre Produktion verwendeten HST-Kameras ihren Betrieb eingestellt hatten.
Exploration
Die Raumsonde New Horizons, die im Juli 2015 einen Vorbeiflug an Pluto durchführte, stellt den ersten und bislang einzigen Versuch dar, Pluto direkt zu untersuchen. Die 2006 gestartete Sonde nahm ihre ersten entfernten Bilder von Pluto Ende September 2006 während eines Kalibrierungstests ihres Long Range Reconnaissance Imager auf. Diese Bilder, die aus einer Entfernung von ungefähr 4,2 Milliarden Kilometern aufgenommen wurden, bestätigten die Fähigkeit der Raumsonde, entfernte Himmelskörper zu verfolgen, eine entscheidende Funktion für ihre Flugbahnanpassungen in Richtung Pluto und anderen Objekten des Kuipergürtels. Anschließend führte das Raumschiff Anfang 2007 ein Schwerkraftunterstützungsmanöver unter Nutzung von Jupiter durch.
Die Raumsonde New Horizons erreichte am 14. Juli 2015 ihre größte Annäherung an Pluto und gipfelte damit in einem 3.462-tägigen Transit durch das Sonnensystem. Die wissenschaftlichen Untersuchungen von Pluto begannen fünf Monate vor dieser nahen Begegnung und dauerten mindestens einen Monat danach. Diese Beobachtungen wurden durch ein umfassendes Fernerkundungspaket ermöglicht, das bildgebende Instrumente, ein radiowissenschaftliches Untersuchungsgerät sowie verschiedene spektroskopische und experimentelle Geräte umfasste. Zu den primären wissenschaftlichen Zielen von New Horizons gehörten die Charakterisierung der globalen geologischen und morphologischen Merkmale von Pluto und seinem Mond Charon, die Kartierung ihrer Oberflächenzusammensetzungen und die Analyse von Plutos neutraler Atmosphäre sowie seiner atmosphärischen Fluchtrate. Die endgültige Datenübertragung mit insgesamt 50 Milliarden Bits (6,25 Gigabyte) von New Horizons bezüglich seiner Pluto-Begegnung wurde am 25. Oktober 2016 um 17:48 Uhr ET erfolgreich empfangen.
Im Anschluss an den Vorbeiflug von New Horizons hat die wissenschaftliche Gemeinschaft eine Orbiter-Mission vorgeschlagen, um die Oberfläche erneut zu kartieren Fuß) pro Pixel, führt Beobachtungen von Plutos Nebensatelliten durch, überwacht Plutos Rotationsänderungen, untersucht das mögliche Vorhandensein eines unterirdischen Ozeans und führt topografische Kartierungen von Regionen durch, die aufgrund der axialen Neigung von Pluto ständig in Dunkelheit gehüllt sind. Das letztgenannte Ziel könnte durch den Einsatz von Laserpulsen erreicht werden, um eine umfassende topografische Karte des Zwergplaneten zu erstellen.
Alan Stern, der Hauptforscher von New Horizons, hat eine Cassini-artige Orbitermission vorgeschlagen, deren Start etwa im Jahr 2030 geplant ist, zeitgleich mit dem hundertsten Jahrestag der Entdeckung von Pluto. Dieser vorgeschlagene Orbiter würde Charons Gravitationseinfluss nutzen, um seine Flugbahn dynamisch anzupassen und so das Erreichen wissenschaftlicher Ziele bei seiner Ankunft im Pluto-System zu erleichtern. Nach Abschluss aller Pluto-bezogenen wissenschaftlichen Untersuchungen könnte der Orbiter die Schwerkraft von Charon nutzen, um das Pluto-System zu verlassen und weitere Studien zu Kuipergürtelobjekten (KBOs) durchzuführen. Darüber hinaus beschreibt eine vom NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programm unterstützte Konzeptstudie einen fusionsbetriebenen Pluto-Orbiter und -Lander, der auf dem Princeton-Reaktordesign mit umgekehrter Feldkonfiguration basiert.
Die New Horizons-Mission hat erfolgreich die gesamte nördliche Hemisphäre von Pluto abgebildet, die sich bis zu Äquatorregionen etwa 30° südlich erstreckt. Im Gegensatz dazu wurden höhere südliche Breiten nur von der Erde aus beobachtet, was zu Daten mit sehr niedriger Auflösung führte. Die 1996 vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommenen Bilder umfassten 85 % der Oberfläche von Pluto und zeigten markante Albedomerkmale bis etwa 75° Süd, die ausreichen, um die Ausdehnung der Makulae in der gemäßigten Zone abzugrenzen. Nachfolgende Hubble-Bilder zeigten geringfügige Verbesserungen der Auflösung, was auf geringfügige Verbesserungen der Instrumentierung des Teleskops zurückzuführen war. Der äquatoriale Sektor der Sub-Charon-Hemisphäre von Pluto wurde ausschließlich mit niedriger Auflösung erfasst, da New Horizons der Anti-Charon-Hemisphäre am nächsten kam.
Bestimmte Albedo-Variationen in den höheren südlichen Breiten konnte New Horizons durch das Phänomen des Charon-Scheins erkennen, das sich auf das von Charon reflektierte Licht bezieht. Die südliche Polarregion scheint im Vergleich zu ihrem nördlichen Gegenstück eine dunklere Albedo aufzuweisen; Auf der Südhalbkugel gibt es jedoch eine ausgeprägte Region mit hoher Albedo, was möglicherweise auf eine lokale Ablagerung von Stickstoff- oder Methaneis hinweist.