Uni­ver­si­tät Bay­reuth: „Das Son­nen­sy­stem ent­stand in zwei Schritten“

Symbolbild Bildung
Die Entstehung des Sonnensystems in zwei unterschiedlichen Planetenpopulationen. Die inneren terrestrischen Protoplaneten beginnen früh zu entstehen, erben eine beträchtliche Menge an radioaktivem Aluminium-26 und schmelzen daher, bilden Eisenkerne und entgasen ihren ursprünglichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen schnell. Die Planeten des äußeren Sonnensystems beginnen ihre Bildung später und weiter draußen mit weniger radioaktiver Erwärmung und behalten daher den Großteil ihrer ursprünglich akkretierten flüchtigen Stoffe. Abbildung: Mark A. Garlick / markgarlick.com

Die Ent­ste­hung des Son­nen­sy­stems in zwei unter­schied­li­chen Pla­ne­ten­po­pu­la­tio­nen. Die inne­ren ter­re­stri­schen Pro­to­pla­ne­ten begin­nen früh zu ent­ste­hen, erben eine beträcht­li­che Men­ge an radio­ak­ti­vem Alu­mi­ni­um-26 und schmel­zen daher, bil­den Eisen­ker­ne und ent­ga­sen ihren ursprüng­li­chen Gehalt an flüch­ti­gen Bestand­tei­len schnell. Die Pla­ne­ten des äuße­ren Son­nen­sy­stems begin­nen ihre Bil­dung spä­ter und wei­ter drau­ßen mit weni­ger radio­ak­ti­ver Erwär­mung und behal­ten daher den Groß­teil ihrer ursprüng­lich akkre­tier­ten flüch­ti­gen Stof­fe.
Abbil­dung: Mark A. Garlick / mark​garlick​.com

Alte und jun­ge Planeten

Ein inter­na­tio­na­les Team von For­schern der Uni­ver­si­ty of Oxford, der LMU Mün­chen, der ETH sowie der Uni­ver­si­tät Zürich und des Baye­ri­schen Geo­in­sti­tuts an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat eine neue Theo­rie für die Ent­ste­hung des Son­nen­sy­stems ent­wickelt: Die Theo­rie erklärt die Bil­dung der Pla­ne­ten und vie­le Meteo­ri­ten­fun­de durch zwei Ent­ste­hungs­schrit­te. Ihre Ergeb­nis­se wur­den gestern (22.01.2021) in „Sci­ence“ veröffentlicht.

Jüng­ste Erkennt­nis­se aus astro­no­mi­schen Beob­ach­tun­gen pro­to­pla­ne­ta­rer Schei­ben und geo­che­mi­schen Laborana­ly­sen von Meteo­ri­ten bele­gen, dass – anders als bis­her ange­nom­men – die Pla­ne­ten­ent­ste­hung nur etwa 200.000 Jah­re nach der Bil­dung des jun­gen Sterns beginnt und in iso­lier­ten Regio­nen des jun­gen Son­nen­sy­stems statt­fin­det. Die ter­re­stri­schen Pla­ne­ten wie Erde und Mars ver­dan­ken dem frü­hen Beginn ihrer Ent­ste­hung eine rela­tiv trocke­ne Zusam­men­set­zung, wäh­rend die äuße­ren Pla­ne­ten wie Jupi­ter und Saturn, Aste­ro­iden und Kome­ten wäh­rend ihrer spä­ter ein­set­zen­den Ent­ste­hung wesent­lich mehr flüch­ti­ge Stof­fe wie Was­ser erhielten.

Astro­no­mi­sche Beob­ach­tun­gen von pla­ne­ten­bil­den­den Schei­ben haben gezeigt, dass die­se Schei­ben häu­fig nur schwa­che Tur­bu­len­zen auf­wei­sen. Unter die­sen Bedin­gun­gen zei­gen die Model­le, dass die Eis­li­nie, an der Was­ser von der Gas- in die Eis­pha­se über­geht, im frü­hen Son­nen­sy­stem von innen nach außen wan­der­te. Hier­bei kam es zu einem frü­hen Bil­dungs­schub von Pla­ne­te­si­ma­len, den Bau­stei­nen der Pla­ne­ten, im inne­ren Son­nen­sy­stem und einem wei­te­ren Schub spä­ter und wei­ter außen. Die­se zwei Ent­ste­hungs­epo­chen erklä­ren den frü­hen Beginn und das lang­wie­ri­ge Ende der Pla­ne­ten­bil­dung im inne­ren Son­nen­sy­stem und den spä­te­ren Beginn und den schnel­le­ren Abschluss der Pla­ne­ten­ent­ste­hung des äuße­ren Son­nen­sy­stems. Hier­bei sam­meln die zwei unter­schied­li­chen Pla­ne­te­si­mal­po­pu­la­tio­nen nach ihrer jewei­li­gen Bil­dung wei­ter­hin Mate­ri­al aus der umge­ben­den Schei­be und über gegen­sei­ti­ge Kol­li­sio­nen. Jedoch füh­ren die unter­schied­li­chen Zei­ten der ursprüng­li­chen Ent­ste­hung zu unter­schied­li­cher inter­ner Ent­wick­lung der sich bil­den­den Protoplaneten.

Prof. Dr. Gre­gor Gola­bek vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und Mit­au­tor der Stu­die erläu­tert: „Die unter­schied­li­chen Ent­ste­hungs­zeit­räu­me die­ser bei­den Pla­ne­te­si­mal­po­pu­la­tio­nen bedeu­ten, dass sich ihr inter­ner Wär­me­mo­tor aus dem radio­ak­ti­ven Zer­fall des kurz­le­bi­gen Iso­tops 26Al deut­lich unter­schied. Pla­ne­te­si­ma­le des inne­ren Son­nen­sy­stems wur­den sehr heiß, ent­wickel­ten inter­ne Mag­ma-Ozea­ne, bil­de­ten schnell Eisen­ker­ne und ent­ga­sten ihren anfäng­li­chen flüch­ti­gen Inhalt, was schließ­lich zu einer trocke­nen Pla­ne­ten­zu­sam­men­set­zung führ­te. Im Ver­gleich dazu bil­de­ten sich die Pla­ne­te­si­ma­le des äuße­ren Son­nen­sy­stems spä­ter und erfuh­ren daher eine wesent­lich gerin­ge­re inne­re Erwär­mung und somit eine begrenz­te Eisen­kern­bil­dung und Frei­set­zung flüch­ti­ger Stof­fe. Das früh gebil­de­te und trocke­ne inne­re Son­nen­sy­stem und das spä­ter gebil­de­te und was­ser­rei­che äuße­re Son­nen­sy­stem wur­den daher schon sehr früh in ihrer Geschich­te auf zwei unter­schied­li­che Evo­lu­ti­ons­pfa­de gebracht.“

Neu­in­ter­pre­ta­ti­on der frü­he­sten Ent­ste­hungs­epo­che des Sonnensystems

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 unter­schied­li­chen 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. Die Model­le zei­gen eben­falls, dass die anwach­sen­den ter­re­stri­schen Pla­ne­ten wäh­rend der Exi­stenz der pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­be erfolg­reich vom ursprüng­li­chen Ent­ste­hungs­ort ihrer Bau­stei­ne an der Eis­li­nie an ihre heu­ti­gen Posi­tio­nen im Son­nen­sy­stem wan­dern können.

Das vom Team vor­ge­schla­ge­ne umfas­sen­de Ent­ste­hungs­mo­dell macht wei­ter­hin die Vor­aus­sa­ge, dass einer frü­hen, durch gegen­sei­ti­ge Kol­li­sio­nen domi­nier­ten Akkre­ti­on eine Pha­se folgt, die von der Akkre­ti­on klei­ne­rer Staub­kör­ner, soge­nann­ter „Peb­bles“, domi­niert wird. „Dies hät­te beob­acht­ba­re Kon­se­quen­zen für heu­ti­ge Aste­ro­iden und Meteo­ri­ten, bei­des Über­bleib­sel des frü­hen Son­nen­sy­stems, die wir mit­tels Raum­son­den und Labor­un­ter­su­chun­gen über­prü­fen kön­nen“, so der Wis­sen­schaft­ler. „Wei­ter­hin könn­te die rasche Ent­ste­hung der Pla­ne­te­si­ma­le in sepa­ra­ten Reser­voiren eini­ge der Ring­struk­tu­ren erklä­ren, die in den letz­ten Jah­ren mit­tels Radio­te­le­sko­pen in pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­ben um beson­ders jun­ge Ster­ne ent­deckt wur­den. Dies könn­te durch wei­te­re astro­no­mi­sche Beob­ach­tun­gen von pro­to­pla­ne­ta­ren Schei­ben, in denen heu­te neue Pla­ne­ten ent­ste­hen, zukünf­tig wei­ter unter­sucht wer­den. Die Stu­die zeigt eben­falls, dass schon sehr früh fest­steht, ob ein zukünf­ti­ger Pla­net was­ser­reich oder was­ser­arm sein wird. Dies eröff­net neue Wege, um die Pla­ne­ten unse­res Son­nen­sy­stems im Kon­text der vie­len in der Gala­xie ent­deck­ten, mög­li­cher­wei­se sehr was­ser­rei­chen, Exo­pla­ne­ten zu verstehen.“

Prof. Dr. Gre­gor Gola­bek vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut an der Uni­ver­si­tät Bayreuth

Prof. Dr. Gre­gor Gola­bek ist Mit­au­tor der Stu­die. Der Geo­phy­si­ker arbei­tet der­zeit haupt­säch­lich an der frü­hen ther­mo­me­cha­ni­schen Ent­wick­lung von ter­re­stri­schen Pla­ne­ten. „Die Erfor­schung der Pla­ne­ten­ent­ste­hung und ihrer frü­hen Evo­lu­ti­on ist mei­ner Mei­nung nach eine span­nen­de Auf­ga­be, da Daten und Model­le aus so unter­schied­li­chen Dis­zi­pli­nen wie Astro­phy­sik, Geo­che­mie und Gesteins­phy­sik mit com­pu­ter­ge­stütz­ter Geo­dy­na­mik kom­bi­niert wer­den kön­nen, um ein bes­se­res Ver­ständ­nis der Pro­zes­se zu erhal­ten, die das frü­he Son­nen­sy­stem präg­ten“, so Gola­bek. Das Baye­ri­sche Geo­in­sti­tut an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth betreibt expe­ri­men­tel­le Hoch­tem­pe­ra­tur-/Hoch­druck-For­schung auf den Gebie­ten Mine­ra­lo­gie, Petro­lo­gie, Geo­che­mie und Geo­phy­sik. Unter­su­chun­gen zur Struk­tur, Zusam­men­set­zung und zur Dyna­mik des Erd­in­nern meh­ren unser Ver­ständ­nis über gesteins­bil­den­de Prozesse.

Die­se For­schung wur­de mit Mit­teln der Simons Col­la­bo­ra­ti­on on the Ori­gins of Life, des Schwei­ze­ri­schen Natio­nal­fonds und des Euro­päi­schen For­schungs­rats unterstützt.

Lesen Sie die voll­stän­di­ge Studie:
„Bifur­ca­ti­on of pla­ne­ta­ry buil­ding blocks during Solar System for­ma­ti­on“, Tim Lich­ten­berg, Joan­na Drąż­kow­ska, Maria Schön­bäch­ler, Gre­gor J. Gola­bek, Tho­mas O. Hands, ver­öf­fent­licht am 22. Janu­ar 2021 in Sci­ence, 371, 6527, 365–370.