Entstehung von Planetensystemen

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Einleitung

Entstehung von Planetensystemen, die Entwicklung eines Systems aus Planeten und anderen Himmelskörpern im Einflussbereich eines zentralen Sternes.

Voraussetzung für die Entstehung eines Planetensystems ist, dass das Zentralgestirn mehr als 1,6 Lichtjahre vom nächsten, heißen Nachbarstern entfernt liegt. Andernfalls würden Strahlung und Wind des Nachbarsterns die Gas- und Staubwolken um das Zentralgestirn ins All treiben, bevor sie sich zu Planeten formen können. Man nimmt an, dass sich Planetensysteme wie das Sonnensystem zusammen mit ihrem Zentralgestirn (der Sonne im Fall des Sonnensystems) aus solchen Materiewolken gebildet haben. Bei diesem Prozess kollabierten die Wolken unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitationskraft, d. h., sie fielen in sich zusammen. Die Sterne der ersten Stunde entstanden aus dem ursprünglichen vorhandenen Wasserstoff und Helium und besaßen noch keine Planeten – dazu fehlten die schweren Elemente. Letztere bildeten sich im Lauf der Zeit durch Kernfusionen im Innern der ersten Sterne. Folglich sind alle Planetensysteme Gebilde der zweiten (oder einer noch späteren) Generation. Eine weitere Möglichkeit für die Entstehung von Planeten liefert jene Materie, die durch Sternexplosionen (siehe Nova und Supernova sowie Interstellare Materie) in den Raum hinausgeschleudert wurde.

Die ersten fundierten Erkenntnisse über die Existenz von extrasolaren Planetensystemen erhielten Astronomen mit der Entdeckung des Systems um den Stern Ypsilon Andromedae. Das rund 44 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernte Objekt wird nachweislich von drei jupiterähnlichen Planeten umkreist. Auch der rund 41 Lichtjahre von der Erde entfernte Stern 55 Cancri im Sternbild Krebs wird von mindestens einem Planeten umrundet. Der Planet ist etwa 3,5- bis 5-mal schwerer als der Jupiter und umkreist seinen rund fünf Milliarden Jahre alten Mutterstern auf einer Umlaufbahn, die von ihrer Form sowie ihrem Durchmesser her mit der Umlaufbahn des Jupiters um die Sonne vergleichbar ist.

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Kollaps der Ursprungswolke

Planetensysteme bilden sich nicht einzeln. Die interstellaren Wolken sind so riesig, dass durch den Sternenkollaps sehr viele Bruchstücke entstehen, aus denen einige hundert Sonnen hervorgehen können. Derartige Materiewolken sind sozusagen die Brutstätten für Sterne. In jeder Wolke liegt der Ursprung vieler Sterne, die dann so genannte offene Sternhaufen bilden. Ein solcher Sternhaufen verteilt sich im Raum, wobei einzelne Sterne ihren Bahnen in der jeweiligen Galaxie folgen.

Zusammenballende Materiewolken drehen sich um ihre eigene Achse. Mit fortschreitender Kontraktion nimmt auch die Rotationsgeschwindigkeit immer stärker zu. Dieser Vorgang ist mit einem Eiskunstläufer vergleichbar, der sich um so schneller um seine Achse dreht, je enger er bei der Pirouette die Arme an den Körper legt. Verschiedene Bruchstücke der Wolke nehmen entgegengesetzten Drehsinn an. Dadurch wird der gesamte ursprüngliche Drehimpuls der Wolke geteilt. Zusätzlich bildet sich um jeden neuen Stern ein Magnetfeld (siehe Magnetismus), mit dem Materie aus der weiteren Umgebung eingefangen wird. Diese magnetischen Einflüsse erweitern die räumliche Wirkung des Drehimpulses. Wenn der Kern des jeweiligen Wolkenbruchstückes kollabiert und einen Stern bildet, kann aber ein Teil der Materie durch den verbleibenden Drehimpuls vom Zentrum der Wolke fern gehalten werden. In diesem Fall entsteht eine flache Wolke aus Staub, die den neuen Stern umgibt. Die Entdeckung solcher scheibenförmigen Wolken um neue Sterne herum bestätigt in wesentlichen Punkten die derzeitigen Auffassungen über die Entstehung von Planetensystemen. Ein praktisches Beispiel für diese Überlegungen ist Beta Pictoris im Sternbild Pictor (Maler). Bei Beta Pictoris handelt es sich um einen jungen Stern, der tatsächlich beiderseits von einer dichten Wolke umgeben ist.

Infolge der Wärmestrahlung eines jungen Sternes diffundieren die leichteren Gasanteile der Wolke (hauptsächlich Wasserstoff und Helium) weg. Die zurückbleibende Materie besteht aus Milliarden kleiner Staubkörnchen, die zusammenstoßen und aneinander haften bleiben. Bei diesem Vorgang entstehen größere Brocken. Während der Strahlungsperiode des Sternes wird in seinem Inneren (durch Kernfusion) Wasserstoff zu Helium umgesetzt. In dieser Zeit können die Materiebrocken einige Millimeter groß werden und sich in einer dünneren scheibenförmigen Wolke um den Stern sammeln. Diesen Prozess nennt man Akkretion (Zusammenballung). Er führt schließlich zu Brocken mit einem Durchmesser von rund einem Kilometer. Die entstandenen Gebilde ähneln dann den Asteroiden oder Planetoiden, die heute in großer Zahl zwischen Mars und Jupiter die Sonne umrunden.

Wenn die Brocken die genannte Größe erreicht haben, beginnen sie einander aufgrund der Gravitation stärker anzuziehen und bilden dann Schwärme, die den Stern umrunden. Dabei prallen sie von Zeit zu Zeit zusammen. Aufgrund der Gravitation kommen die Brocken einander im Durchschnitt immer näher. Die größten von ihnen (die ja die höchste Schwerkraft haben) ziehen das meiste Material an und können schließlich zu Planeten und Monden werden.

Im Sonnensystem gibt es vier sonnennahe Gesteins- bzw. erdähnliche Planeten: Merkur, Venus, Erde und Mars. Sie entstanden wahrscheinlich auf die eben beschriebene Weise. Weiter außen folgt der Planetoiden- oder Asteroidengürtel; er besteht aus Material, das in mancher Hinsicht repräsentativ für die Zusammensetzung der inneren Planeten ist. Die Asteroiden konnten sich nicht zu größeren Körpern (etwa Planeten) zusammenballen, da sie ständig durch die Gravitationskräfte des größten Planeten, Jupiter, beeinflusst werden. Jenseits des Asteroidengürtels umrunden vier riesige Gasplaneten die Sonne: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Sie sind wahrscheinlich typisch für Planeten, die sich in großer Entfernung vom zentralen Ursprungsstern gebildet haben. In solchen Planeten sammelte sich die ursprünglich flüchtigere Materie. Daher bestehen sie vor allen aus Gas, auch wenn sie teilweise einen kleinen Gesteinskern aufweisen können.

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Die Bildung kleinerer Objekte

Die großen Gasplaneten sind aber nicht allein, sondern sie werden von Satelliten (Monden) und Ringen umrundet und stellen dabei so etwas wie den Zentralkörper eines Miniatur-Planetensystems dar. Einige der Monde bestehen vermutlich aus eingefangenen kosmischen Gesteinsbrocken, während viele Monde auf die gleiche Weise wie ihr Planet aus der Zusammenballung des Ausgangsmaterials hervorgingen, wobei die Anziehungskraft des Planeten die entscheidende Rolle spielte. Wenn große Himmelskörper infolge der Gravitationsanziehung aus Wolken oder aus Ansammlungen kleiner Brocken hervorgehen, dann ist leicht zu verstehen, dass sie – wie beschrieben – von einer Anzahl kleinerer Objekte umrundet werden. Das wäre ein Hinweis darauf, dass sich um neue Sterne Planetensysteme ausbilden.

Es gibt aber eine Einschränkung. Die vorstehenden Ausführungen gelten für Sterne, die, wie die Sonne, isoliert entstehen. Sehr viele Sterne sind aber keine „Einzelgänger”, sondern gehören zu Systemen aus zwei oder mehreren Sternen. Hier kann die Planetenbildung erschwert sein, weil keine stabilen Umlaufbahnen möglich sind. Die oben beschriebenen Vorstufen der Planeten unterliegen vielmehr wechselnden Einflüssen durch die Anziehungskräfte der Sterne. In solchen Systemen können sich nur Ansammlungen vieler Brocken bilden, wie im Asteroidengürtel des Sonnensystems.

Sogar nachdem in der flachen Materiewolke um die junge Sonne die vier Hauptkörper entstanden waren – aus denen dann die vier inneren Planeten des Sonnensystems hervorgingen – gab es hier (relativ nahe der Sonne) noch viele kleinere Brocken. Diese umkreisten die Sonne in eigenen Bahnen und wurden nach und nach von den vier Planeten eingefangen. Die von Kratern übersäte Oberfläche des Mondes zeigt die Spuren solcher Einschläge – ähnliche Krater gibt es auch auf anderen Planeten des Sonnensystems.

Nun sind Planeten, Asteroiden (bzw. Planetoiden) und Satelliten (Monde) aber nicht die einzigen Bestandteile von Planetensystemen. Neben diesen bekannteren Objekten gibt es noch die Kometen. Das sind Himmelskörper, die – verglichen mit einem Planeten – jeweils nur eine geringe Masse haben. Sie umrunden in großer Anzahl den Zentralstern, allerdings weit außerhalb der Planeten; ihre mittleren Abstände von der Sonne entsprechen fast der halben Entfernung zum nächstgelegenen Stern.

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Die Entwicklung von Asteroiden und Kometen

Aus der ursprünglichen flachen Materiewolke um die Sonne herum gingen die Planeten hervor. In dem Gebiet, in dem sich heute der Asteroidengürtel befindet, enthielt die Wolke anfangs vermutlich genug Masse, um einen Planeten hervorzubringen, der viermal so schwer wie die Erde gewesen wäre. Die Materiebrocken in diesem Gebiet umrundeten die Sonne in fast kreisförmigen Umlaufbahnen, ähnlich wie die Materie weiter innen, aus der sich die vier inneren Planeten bildeten. Die Brocken flogen meist „ordentlich” hintereinander, so dass sie selten und dann nur relativ sanft miteinander zusammenstießen. Daher konnten sie leicht aneinander haften bleiben, wenn sie sich getroffen hatten. Aber als nicht allzuweit entfernt durch Zusammenballung von Gasmassen der Planet Jupiter entstanden war, störte wohl sein Gravitationseinfluss die Bahnen dieser Objekte im heutigen Asteroidengürtel. Als die elliptischen Bahnen der hier befindlichen Himmelskörper immer lang gestreckter wurden, wurden Begegnungen häufiger, denn die Bahnen unterschieden sich nun stärker. Daher stießen hier die bisher zusammengeballten Materiebrocken jetzt mit höheren Geschwindigkeiten zusammen. Somit blieben sie nicht mehr aneinander haften, um größere Körper (vielleicht sogar einen Planeten) zu bilden, sondern sie zerbrachen bei den Stößen. Vermutlich gab es acht Super-Asteroiden von der Größe des Mars, die im Laufe der Zeit wieder zerbrachen und heute zum Asteroidengürtel gehören. Sogar Mars selbst ist möglicherweise ein Überbleibsel aus dieser Epoche der Entwicklung des Sonnensystems.

Von den vier Erdmassen an Materie, die im Asteroidengürtel ursprünglich vorhanden waren, wurde alles bis auf rund 0,3 Prozent einer Erdmasse herausgeschleudert. Hierfür war vor allem die Gravitationskraft des Jupiter verantwortlich. Die Fragmente gelangten entweder in immer engere Umlaufbahnen, so dass sie schließlich in die Sonne stürzten, oder in solche Bahnen, die sie ganz aus dem Sonnensystem herausbeförderten. Wahrscheinlich prallte einer der marsgroßen Super-Asteroiden auf seinem Weg zur Sonne mit der Erde zusammen. Dabei schmolz eine gewaltige Gesteinsmasse, wurde aus der Erde herausgeschleudert und geriet in eine Umlaufbahn um die Erde – dieser mögliche Vorgang führte zur Entwicklung des Mondes.

Im inneren Teil des Sonnensystems, etwa bis hinaus zu den Asteroiden, war es anfangs heiß genug, dass das flüchtige Material verdampfen und nach außen diffundieren konnte. Aus dem zurückgebliebenen Material formten sich die Gesteinsplaneten und die Asteroiden selbst. Jenseits der Jupiterbahn war es so kalt, dass auch die flüchtigeren Substanzen fest wurden und es blieben: Wasser sowie (neben anderen) die Verbindungen Methan und Ammoniak. Vom Beginn an, als die ersten Teilchen sich zu größeren Brocken vereinigten, enthielten diese einen großen Anteil an Eis, wie ein sehr schmutziger Schneeball. Zahlreiche solche Brocken konnten sich im Lauf der Zeit zu großen Planeten vereinigen. Bei den Zusammenstößen wurde Wärme frei, so dass ein Teil des Eises schmolz und sogar verdampfte. Die hohe Gravitationskraft der riesigen Planeten hielt außerdem einen Teil des ursprünglich vorhandenen Wasserstoffes und Heliums fest. Dies wäre eine mögliche Erklärung für den Aufbau der großen Gasplaneten.

Nahezu sämtliches Material, aus dem die großen Planeten entstanden, ballte sich letztlich aus unzähligen Eis- und Staubbrocken zusammen, so dass schließlich die Gravitationswirkung der Gasplaneten wirksam wurde und aus weiterer Entfernung von der Sonne Brocken einfing. Entsprechend gerieten auch Objekte im Asteroidengürtel in den Einflussbereich des Jupiters. Einige dieser eisigen Brocken wurden in sehr sonnennahe Bahnen gezwungen, so dass sie verdampften. Andere dagegen wurden nach außen geschleudert und kamen in die Nähe der Gasplaneten. Von hier gelangten sie in Umlaufbahnen, die sie teilweise 100 000-mal so weit von der Sonne entfernten wie die Erde, also rund 15 Billionen Kilometer. In dieser gewaltigen Entfernung gerieten die schmutzigen Schneebälle teilweise sogar in den Gravitationseinfluss anderer Sterne; dadurch wurden ihre Bahnen wieder runder, und sie bildeten eine das Sonnensystem umfassende Kugelschale mit Kometen. Man nennt diese Ansammlung die Oort’sche Wolke. Man nimmt an, dass sich in ihr eine Billion Kometen befindet. Damit hätte unser Planetensystem mehr Kometen, als es Sterne in der ganzen Milchstraße gibt. Jedoch macht die Gesamtmasse aller dieser Kometen nur rund drei Erdmassen aus.

Näher bei uns, gerade jenseits der Neptun-Umlaufbahn, gibt es einen inneren Gürtel mit Kometen und Asteroiden, den so genannten Kuiper-Ring. Er enthält etwa eine Milliarde Kometen. Pluto, der lange Zeit als neunter Planet des Sonnensystems galt und mittlerweile zu den Zwergplaneten gerechnet wird, stellt eigentlich eher ein extremes Beispiel für einen eisigen Superkometen dar, wie er für den Kuiper-Ring typisch ist.

Alle diese Erkenntnisse beruhen nur auf Untersuchungen am Sonnensystem. Jedoch sind die Wissenschaftler davon überzeugt, dass es ähnliche Kometenwolken auch um andere Planetensysteme gibt. Mitte der neunziger Jahre identifizierten Astronomen einige Systeme, in denen Sterne von Planeten umgeben sind, deren Größe mit der des Jupiter vergleichbar ist. Zwangsläufig hat auch dort die Gravitationswirkung solcher Riesenplaneten das eisige Material in eine Ansammlung ähnlich der Oort’schen Wolke befördert, während sich das betreffende Planetensystem entwickelte.

Siehe auch Planetesimal; Weltraumforschung; Astronomie