Gesteinsplaneten aus der Planetenfabrik

Wieso sehen sich die Gesteinsplaneten in einem bestimmten Sternsystem meist relativ ähnlih? Das könnte eine neue Theorie erklären, die Konstantin Batygin, Professor für Planetenforschung am Caltech zusammen mit Alessandro Morbidelli vom Observatoire de la Côte d’Azur in Frankreich erarbeitet hat.

“Mit der Zunahme der Beobachtungen von Exoplaneten in den letzten zehn Jahren ist klar geworden, dass die Standardtheorie der Planetenentstehung überarbeitet werden muss, angefangen bei den Grundlagen. Wir brauchen eine Theorie, die sowohl die Entstehung der terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem als auch die Entstehung von selbstähnlichen Systemen von Supererden erklären kann, von denen viele eine felsige Zusammensetzung aufweisen”,  sagt Batygin.

Planetensysteme beginnen ihren Lebenszyklus als große rotierende Scheiben aus Gas und Staub, die sich im Laufe von einigen Millionen Jahren verdichten. Der größte Teil des Gases sammelt sich in dem Stern im Zentrum des Systems, während festes Material langsam zu Asteroiden, Kometen, Planeten und Monden zusammenwächst. In unserem Sonnensystem entstanden daraus zwei verschiedene Arten von Planeten: die kleineren, felsigen inneren Planeten, die der Sonne am nächsten sind, und die äußeren, größeren, wasser- und wasserstoffreichen Gasriesen, die weiter von der Sonne entfernt sind. Das geschah wahrscheinlich in zwei verschiedenen Ringen in der protoplanetaren Scheibe: einem inneren, in dem sich die Gesteinsplaneten bildeten, und einem äußeren für die massereicheren Eisplaneten (von denen zwei – Jupiter und Saturn – später zu Gasriesen wurden).

Supererden sind, wie der Name schon sagt, massereicher als die Erde. Einige haben sogar eine Wasserstoffatmosphäre, die sie fast wie Gasriesen erscheinen lässt. Außerdem befinden sie sich oft in der Nähe ihrer Sterne, was darauf hindeutet, dass sie von weiter entfernten Umlaufbahnen zu ihrer jetzigen Position gewandert sind.

“Vor ein paar Jahren haben wir ein Modell entwickelt, bei dem sich die Supererden im eisigen Teil der protoplanetaren Scheibe gebildet haben und bis zum inneren Rand der Scheibe, in die Nähe des Sterns, gewandert sind”, sagt Morbidelli. “Das Modell konnte die Massen und Umlaufbahnen der Supererden erklären, sagte aber voraus, dass sie alle wasserreich sind. Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass die meisten Supererden aus Gestein bestehen, wie die Erde, auch wenn sie von einer Wasserstoffatmosphäre umgeben sind. Das war das Todesurteil für unser altes Modell.” In den letzten fünf Jahren wurde die Geschichte noch merkwürdiger, da Wissenschaftler diese Exoplaneten untersucht und eine ungewöhnliche Entdeckung gemacht haben: Es gibt zwar eine Vielzahl von Arten von Supererden, aber alle Supererden innerhalb eines einzigen Planetensystems ähneln sich in Bezug auf Umlaufbahnabstand, Größe, Masse und andere wichtige Merkmale. Es sieht aus, als gebe es quasi eine Planetenfabrik, die nur weiß, wie man Planeten mit einer bestimmten Masse herstellt, und die sie einfach nacheinander ausstößt.

Welcher Prozess könnte in so einer Fabrik nicht nur die Gesteinsplaneten in unserem Sonnensystem hervorgebracht haben, sondern auch einheitliche Systeme von felsigen Supererden? “Die Antwort hängt mit etwas zusammen, das wir 2020 herausgefunden haben”, sagt Batygin. Damals schlugen Batygin und Morbidelli eine neue Theorie für die Entstehung der vier größten Monde des Jupiters vor. Im Wesentlichen wiesen sie nach, dass sich für einen bestimmten Größenbereich von Staubkörnern die Kraft, die die Körner in Richtung Jupiter zieht, und die Kraft (oder Mitnahme), die diese Körner in einem nach außen gerichteten Gasstrom mitreißt, vollkommen aufheben. Durch dieses Gleichgewicht der Kräfte entstand ein Ring aus Material, der die soliden Bausteine für die spätere Bildung der Monde bildete. Die Theorie besagt außerdem, dass die Körper im Ring wachsen, bis sie groß genug sind, um den Ring durch gasgetriebene Migration zu verlassen. Danach hören sie auf zu wachsen, was erklärt, warum der Prozess Körper ähnlicher Größe hervorbringt.

In ihrer neuen Arbeit schlagen Batygin und Morbidelli vor, dass der Mechanismus für die Bildung von Planeten um Sterne weitgehend derselbe ist. Im Fall der Planeten findet die großräumige Konzentration von festem Gesteinsmaterial in einem schmalen Band in der Scheibe statt, das als Silikat-Sublimationslinie bezeichnet wird – eine Region, in der Silikatdämpfe kondensieren und feste, felsige Kiesel bilden. “Wenn man ein Staubkorn ist, spürt man in der Scheibe einen beträchtlichen Gegenwind, weil das Gas etwas langsamer kreist, und man bewegt sich spiralförmig auf den Stern zu; aber wenn man in Dampfform ist, bewegt man sich einfach nach außen, zusammen mit dem Gas in der expandierenden Scheibe. An der Stelle, an der man von Dampf zu Feststoff wird, sammelt sich also Material an”, sagt Batygin.

Die neue Theorie identifiziert dieses Band als wahrscheinlichen Ort für eine “Planetenfabrik”, die mit der Zeit mehrere ähnlich große Gesteinsplaneten hervorbringen kann. Wenn die Planeten eine ausreichende Masse erreichen, werden sie durch ihre Wechselwirkung mit der Scheibe näher an den Stern herangezogen. Die Theorie von Batygin und Morbidelli stützt sich auf umfangreiche Computermodelle, begann aber mit einer einfachen Frage. “Wir sahen uns das bestehende Modell der Planetenentstehung an, wohl wissend, dass es nicht das wiedergibt, was wir sehen, und fragten uns: ‘Welche Behauptung nehmen wir als gegeben hin?'” sagt Batygin. “Der Trick besteht darin, etwas zu betrachten, das jeder für wahr hält, ohne dass es dafür einen guten Grund gibt.”

In diesem Fall war die Annahme, dass festes Material in den protoplanetaren Scheiben verstreut ist. Indem man diese Annahme über Bord wirft und stattdessen annimmt, dass sich die ersten festen Körper in Ringen bilden, kann die neue Theorie verschiedene Arten von Planetensystemen mit einem einheitlichen Rahmen erklären, so Batygin. Wenn der felsige Ring viel Masse enthält, wachsen die Planeten so lange, bis sie sich vom Ring entfernen, was zu einem System ähnlicher Super-Erden führt. Enthält der Ring hingegen nur wenig Masse, entsteht ein System, das den terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems sehr viel ähnlicher ist.

Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe mit sich bildenden Planeten. (Bild: Caltech)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.