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Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 9/2021 vom 06.08.2021

KURZBERICHTE

Artikelbild für den Artikel "Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten" aus der Ausgabe 9/2021 von Sterne und Weltraum. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 9/2021

Zwei Planetenpopulationen: Die Entstehung des Sonnensystems brachte zwei unterschiedliche Populationen von Planeten hervor. Die inneren ? terrestrischen ? Protoplaneten bildeten sich früh und erbten dabei eine beträchtliche Menge an radioaktivem Aluminium- 26 aus der Scheibe. Durch seine Zerfallswärme schmolzen sie auf, schweres Eisen sank im Inneren ab und bildete Eisenkerne. Ihren ursprünglichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen setzten sie frei. Die Planeten des äußeren Sonnensystems hingegen bildeten sich später. Dies geschah weiter draußen im Sonnensystem mit weniger radioaktiver Erwärmung. Daher behielten sie den Großteil ihrer ursprünglich akkretierten (aufgesammelten) flüchtigen Stoffe.

Jüngste Erkenntnisse aus geochemischen Laboranalysen von Meteoriten legen nahe, dass – anders als bisher angenommen – die Entstehung der terres trischen Planeten im inneren Sonnensystem nur etwa 200 000 Jahre nach der Bildung der jungen Sonne begann. Zudem lief sie isoliert von der Entstehung der Gas- und Eisriesen im äußeren Sonnensystem ab (siehe »Zwei Planetesimalpopulationen«).

Messungen an protoplanetaren Scheiben um junge Sterne zeigen, dass in den Scheiben häufig nur schwache Turbulenzen auftreten. Unter solchen Bedingungen demonstrieren theoretische Modelle, dass die so genannte Schneelinie, an welcher in der Scheibe das vorhandene Wasser von der Gas­ in die Eisphase übergeht, im frühen Sonnensystem von innen nach außen wanderte. Durch den Phasenübergang von Wasser an der Schneelinie entsteht eine konzentrierte Ansammlung an Staubteilchen, welche die Bildung von Planetesimalen, ...

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... den Bausteinen der Planeten, stark fördert. Durch die anfängliche Wanderung der Schneelinie von innen nach außen kann es dadurch zu einem frühen Bildungsschub von Planetesimalen im inneren Sonnensystem und einem weite ren Schub später und weiter außen kommen (siehe »Zwei Planetesimalpopulationen«).

Laut der Studie eines internationalen Forscherteams um den Autor dieses Beitrags, Tim Lichtenberg von der University of Oxford, die im Fachmagazin »Science« Anfang des Jahres veröffentlicht wurde, können diese zwei Entstehungsepochen die Chronologie der Planetenbildung im Sonnensystem erklären. Hierbei sammeln die zwei unterschiedlichen Populationen von Planetesimalen – asteroidenähnlichen Bausteinen der Planeten – nach ihrer jeweiligen Entstehung Material aus der umgebenden Scheibe und durch gegenseitige Kollisionen auf. Jedoch führen die unterschiedlichen Zeiten der ursprünglichen Entstehung zu verschiedener interner Entwicklung und damit einer anderen Zusammensetzung und Wassermenge in den fertigen Planeten.

Die unterschiedlichen Entstehungszeiträume dieser beiden Planetesimalpopulationen sorgten dafür, dass sich ihr interner Wärmemotor aus dem radioaktiven Zerfall des kurzlebigen Isotops Aluminium-26, das eine Halbwertszeit von nur rund 700 000 Jahren hat und im Sonnensystem heute nicht mehr vorkommt, deutlich unterschied. Mark A. Garlick / markgarlick.com (mag@markgarlick.com)

• Die Planetesimale des inneren Sonnensystems wurden durch diese starke radioaktive Heizung sehr heiß. Sie schmolzen auf, bildeten schnell Eisenkerne, und setzten ihren anfänglichen flüchtigen Inhalt frei, was schließlich zu einer trockenen Planetenzusammensetzung führte. ó Im Vergleich dazu bildeten sich die Planetesimale des äußeren Sonnensystems später und erfuhren eine wesentlich geringere innere Erwärmung. Deshalb fanden nur eine begrenzte Eisenkernbildung und Freisetzung flüchtiger Stoffe statt, wie zum Beispiel Wasser (siehe »Innere Entwicklung von Planetesimalen«). Das früh gebildete, trockene innere Sonnensystem und das später gebildete, wasserreiche äußere Sonnensystem wurden daher schon sehr früh in ihrer Geschichte auf zwei unterschiedliche Evolutionspfade gebracht (siehe »Zwei Planetesimalpopulationen«).

Die von unserem Team entwickelten Computersimulationen bilden eine plausible Erklärung für die Entstehungszeiten von Eisenmeteoriten im inneren und äußeren Sonnensystem (siehe »In dieser Reihenfolge bildeten sich Eisenmeteorite«) und liefern gleichzeitig einen Grund da­ für, warum das innere Sonnensystem vergleichsweise wasserarm ist, während die Planeten und Kleinkörper des äußeren Sonnensystems deutlich mehr atmosphärenbildende Elemente aufweisen.

Zwei Planetesimalpopulationen: Entlang der von innen nach außen wandernden Schneelinie bilden sich zwei verschiedene Populationen von Planetesimalen. Im inneren Sonnensystem entstehen sie deutlich früher, nämlich während der Geburtsphase der Scheibe selbst (Klasse I). Planetesimale des äußeren Sonnensystems in der Scheibenphase (Klasse II) folgen danach. Deswegen weisen sie einen höheren Anteil an radioaktivem Aluminium-26 auf, haben aber einen ähnlichen anfänglichen Wassereisgehalt.

Innere Entwicklung von Planetesimalen: Durch die radioaktive Aufheizung verlieren die anfänglich wassereishaltigen Planetesimale ihre flüchtigen Elemente. Nur Bestandteile, die thermisch und mechanisch sehr beständig – refraktär – sind, tragen zu den terrestrischen Planeten bei. Mehr Aluminium-26 führt zur Aufschmelzung von Gesteinen und zur Eisenkernbildung entweder durch die Perkolation von Eisensulfiden oder das Ausregnen von Eisentröpfchen in aufgeschmolzenen Planetesimalen. Perkolation beschreibt das Durchsickern durch ein festes Substrat.

Eine neue Sicht auf unser Sonnensystem

Die frühe Aufspaltung der beiden Populationen bietet eine plausible Erklärung für die Zweiteilung des Isotopengehalts von innerem und äußerem Sonnensystem, die in vielen Meteoriten nachgewiesen wurde. Die beiden Planetenpopulationen bildeten sich zu verschiedenen Zeiten und in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne. Deshalb wurden während der späteren Entwicklung nur unwesentliche Mengen an Material aus dem äußeren Sonnensystem in die inneren terrestrischen Planeten eingebaut und die isotopische Zweiteilung blieb erhalten.

Unser Team hat ein umfassendes Entstehungsmodell für das Sonnensystem vorgeschlagen. Dieses macht die Voraussage, dass einer frühen, durch gegenseitige Kollisionen dominierten Akkretion (Aufsammeln) eine Phase folgte, die von der Akkretion kleinerer Staubkörner, so genannter Pebbles, dominiert wurde (siehe SuW 11/2020, S. 48). Dies hätte be­ obachtbare Konsequenzen für heutige Asteroiden und Meteoriten – beides Überbleibsel des frühen Sonnensystems –, was sich mittels Raumsonden und Laboruntersuchungen überprüfen ließe. Weiterhin könnte die rasche Entstehung der Planetesimale in getrennten Reservoiren einige der Ringstrukturen erklären, die in den letzten Jahren in protoplanetaren Scheiben um besonders junge Sterne entdeckt wurden (siehe »Ringe in der Staubscheibe «). Das wird zukünftig durch weitere astronomische Beobachtungen von protoplanetaren Scheiben, in denen ge rade neue Planeten entstehen, weiter untersucht.

In dieser Reihenfolge bildeten sich Eisenmeteorite: Durch die frühere Entstehung und stärkere Aufheizung der inneren Planetesimale (rot) bilden diese früher Eisenkerne als die Planetesimale des äußeren Sonnensystems (blau), was die gemessenen Entstehungsalter in Meteoriten (oben) erklären kann. Eisenmeteorite sind in die Klassen IA bis IVB eingeteilt und unterscheiden sich in der Kristallstruktur.

Die Erkenntnisse aus der neuen Studie zeigen ebenfalls, dass schon sehr früh feststeht, ob ein zukünftiger Planet wasserreich oder wasserarm sein wird, bestimmt durch die interne Entwicklung der anwachsenden jungen Planeten. Dies bildet einen deutlichen Kontrast zum bisherigen Standardmodell der Planetenentstehung, das von generell trockenen inneren Planetensystemen ausgeht.

Die unterschiedlichen Modellvorhersagen und der Abgleich mit Analysen der Zu­ sammensetzung von terrestrischen Exoplaneten und deren Atmosphärenchemie können neue Erkenntnisse über die physikalischen Prozesse liefern, welche die Erde zu einer lebensfreundlichen Welt gemacht haben. All dies eröffnet neue Wege, um unser Sonnensystem im Kontext der vielen im Milchstraßensystem entdeckten Exoplaneten besser zu verstehen.

TIM LICHTENBERG ist promovierter Physiker am Department Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics der University of Oxford und forscht an der Entstehung und Entwicklung terrestrischer Planeten im Sonnensystem und in extrasolaren Planetensystemen.

Literaturhinweise

Lichtenberg, T., et al.: Bifurcation of planetary building blocks during solar system formation. Science 371, 2021

Segura-Cox, D. M., et al.: Four annular structures in a protostellar disk less than 500,000 years old. Nature 586, 2020

Didaktische Materialien: www.wissenschaft-schulen.de/ artikel/1051531