Eine protoplanetare Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern Dunkle Furchen werden von Gas- und Eisriesenplaneten bei ihrer Entstehung ausgehöhlt (Bildnachweis: LMU / Thomas Zankl, crushed eyes media)
Forscher haben möglicherweise die geheime Zutat des Planetenwachstums entdeckt, die einige Welten dazu veranlasst, schnell in Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne zu wachsen. Das Modell könnte von besonderem Wert für das Verständnis des Wachstums der Riesenplaneten des Sonnensystems sein.
Wissenschaftler haben ein recht gutes Verständnis davon, wie die felsigen inneren Planeten des Sonnensystems, Merkur, Venus, Erde und Mars, entstanden sind und sich entwickelt haben. Aber das derzeitige Modell der Kollisionen und der Ansammlung von asteroidenähnlichen Körpern, die als „Planetesimale“ bezeichnet werden, und der Ansammlung von Gas über Millionen von Jahren lässt eine Menge zu erklären übrig, wenn es um die Bildung der Gasriesen Jupiter und Saturn und der Eisriesen Neptun und Uranus geht.
Alle diese Riesen scheinen sich zu weit von der Sonne entfernt gebildet zu haben, um so massiv zu werden, wobei das Wachstum der äußeren Eisriesen besonders rätselhaft ist. Jupiter ist 15 Mal weiter von der Sonne entfernt als unser Planet, und Neptun ist 30 Mal weiter von unserem Stern entfernt als die Erde.
Um dieses Planetenrätsel zu lösen, hat ein Team von Wissenschaftlern des Exzellenzclusters ORIGINS, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) ein neues Modell der Planetenentwicklung entwickelt, das diese scheinbaren Diskrepanzen erklären könnte.
Die Wissenschaftler sagen, dass ihr Modell das erste ist, das alle für die Planetenbildung erforderlichen physikalischen Prozesse berücksichtigt.
„Dies ist das erste Mal, dass eine Simulation den Prozess nachgezeichnet hat, durch den feiner Staub zu riesigen Planeten heranwächst“, sagte Tommy Chi Ho Lau, ein Doktorand der LMU, in einer Erklärung.
Die von den Forschern durchgeführte Simulation deutet darauf hin, dass Störungen in der Gas- und Staubscheibe um junge Sterne, die als „protoplanetare Scheiben“ bezeichnet werden, die rasche Bildung von mehreren Gasriesen auslösen können.
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ihre Ergebnisse scheinen sich gut mit den jüngsten Beobachtungen junger extrasolarer Planeten oder „Exoplaneten“ zu decken und könnten zeigen, dass Riesenplaneten viel schneller und effizienter entstehen können als bisher angenommen.
Selbst Riesenplaneten fangen klein an
Junge Sterne entstehen, wenn sich in riesigen Wolken aus interstellarem Gas und Staub überdichte Flecken bilden. Wenn dieser Gasklumpen Material ansammelt, kollabiert er schließlich und gebiert einen „Protostern“.
Dieser Vorläuferstern sammelt so lange Material an, bis seine Masse ausreicht, um in seinem Kern den Druck und die Temperaturen zu erzeugen, die die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auslösen, den Prozess, der die Lebensdauer eines Sterns in der „Hauptreihe“ bestimmt.
Das Material, das im vorgeburtlichen Kokon dieses neugeborenen Sterns verbleibt, flacht sich ab, während es um den Stern herumwirbelt und eine protoplanetare Scheibe bildet. Wie der Name schon sagt, entstehen aus dieser Scheibe aus Gas und Staub die Planeten.
Das Modell des Teams legt nahe, dass sich millimetergroße Staubpartikel aerodynamisch in der turbulenten protoplanetaren Scheibe ansammeln. Diese Störung fängt den Staub ein und hindert ihn daran, sich in Richtung des zentralen Kindersterns zu bewegen. Dies führt zu einer Anhäufung von „Planetenbausteinen“ in einem relativ kleinen Bereich der protoplanetaren Scheibe. Dies sind genau die Bedingungen, die für die Entstehung eines Planeten erforderlich sind.
„Wenn ein Planet groß genug wird, um die Gasscheibe zu beeinflussen, führt dies zu einer erneuten Staubanreicherung weiter draußen in der Scheibe“, sagt Til Birnstiel, Professor für Theoretische Astrophysik an der LMU und Mitglied des Exzellenzclusters ORIGINS. „Dabei treibt der Planet den Staub – wie ein Schäferhund, der seine Herde jagt – in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn.“
Dies könnte zur Bildung von Planeten führen, die so weit von ihrem Stern entfernt sind, dass sie 200 Mal so weit entfernt sind wie die Erde von der Sonne – mehr als genug, um die Entstehung der Riesenplaneten des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren zu erklären.
Das Modell des Teams impliziert auch, dass das Sonnensystem nach Neptun aufhörte, Planeten zu gebären, einfach weil die Bausteine für Planeten erschöpft waren.
Die Ergebnisse der Simulationen des Teams scheinen mit den Beobachtungen junger Planetensysteme übereinzustimmen, die mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einer Sammlung von 66 Radioantennen im Norden Chiles, gemacht wurden.
Diese Forschung könnte uns nicht nur helfen, die Entstehung und Entwicklung von Riesen in unserem eigenen Planetensystem zu verstehen, sondern sie könnte den Astronomen auch Hinweise auf die Vielfalt der Exoplaneten in der weiteren Milchstraßengalaxie geben.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
