Forschung

Entstehung des Sonnensystems in zwei Schritten

22.01.2021 - Früh durch radioaktiven Zerfall aufgeheizte innere Planeten spalteten sich von später entstandener äußerer, feuchter Planetenpopulation ab.

Eine neue Theorie für die Entstehung und Struktur des Sonnen­systems hat ein Forscher­team aus der Schweiz, Deutsch­land und Groß­britannien entwickelt. Damit lassen sich mehrere Schlüssel­merkmale terres­trischer Planeten wie Erde, Venus und Mars sowie des äußeren Sonnen­systems mit Jupiter erklären, ebenso die Zusammen­setzung von Asteroiden und Meteoriten­familien. Die Arbeit stützt sich auf neue Beobach­tungen anderer Sonnen­systeme während ihrer Entstehung, sowie auf Labor­experimente zum Isotopen-, Eisen- und Wasser­gehalt in Meteoriten.

Die Kombination von astro- und geo­physi­ka­lischen Phänomenen während der Entstehungs­phase von Sonne und Sonnen­system verdeut­licht, warum die Planeten des inneren Sonnen­systems klein und trocken sind – also wenig Wasser pro Masse beinhalten –, während die Planeten des äußeren Sonnen­systems grösser und feuchter sind. Sie erklärt auch die äußerst zahl­reiche Meteoriten­bildung in zwei verschiedenen Schritten: In einem ersten, frühen Schritt bildeten sich die inneren terres­trischen Proto­planeten. Sie wurden durch starken radio­aktiven Zerfall innerlich aufge­heizt und ausge­trocknet.

In einem zweiten Schritt spalteten sich die inneren, trockenen Planeten von der äußeren, feuchten Planeten­population ab – mit entsprechenden Aus­wirkungen auf die Verteilung und die Entstehungs­bedingungen von Planeten wie etwa der Erde. „Das trockene innere Sonnen­system, das sich zuerst gebildet hat, und das spätere, feuchte äußere Sonnen­system wurden schon sehr früh in ihrer Geschichte auf zwei unter­schied­liche Entwick­lungs­pfade gesetzt“, erklärt Thomas Hands von der Uni Zürich.

Numerische Experimente zeigen, dass sich diese Entstehungs­prozesse durch zwei unter­schied­liche Phasen der Planeten­entstehung erklären lassen. So ergaben jüngste Beobach­tungen von proto­planetaren Scheiben um junge Sterne, dass diese relative geringe Turbulenz in ihrem Inneren aufweisen. Unter solchen Bedingungen können die im Gas einge­betteten Staub­teilchen effektiv zu deutlich größeren Körnern anwachsen und so schon früh die ersten Planeten­bausteine im inneren Sonnen­system bilden. Eine zweite Phase der effektiven Entstehung solcher Bausteine – Planete­simale genannt – erfolgte dann später weiter draußen im äußeren Sonnen­system.

Die beiden Populationen von Planeten­bau­steinen zogen weiteres Material aus der umgebenden Scheibe und durch gegen­seitige Kolli­sionen an. So entstanden zwei geo­physi­kalisch verschiedene Arten von sich bildenden Proto­planeten, die durch ihre unter­schied­liche Entstehungs­zeit eine sehr unter­schied­liche Menge an radio­aktivem Material beinhalteten. Planete­simale des inneren Sonnen­systems wurden dadurch stark aufge­heizt, sehr heiß und schmolzen auf. Dadurch bildeten sich schnell Eisen­kerne und flüchtige Verbindungen wie Wasser verdampften, was schließlich zu einer trockenen Planeten­zusammen­setzung im inneren Sonnen­system 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 eine geringere Frei­setzung flüchtiger Stoffe. „Diese Erkennt­nisse eröffnen neue Wege, um den Ursprung und die Häufig­keit erdähn­licher Planeten in unserer Galaxie zu verstehen“, so Hands.

U. Zürich / RK

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