Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren zog die Schwerkraft eine Staub-und Gaswolke zusammen, um unser Sonnensystem zu bilden. Während Wissenschaftler sich der genauen Natur des Prozesses nicht sicher sind, haben Beobachtungen junger Sternsysteme in Kombination mit Computersimulationen es ihnen ermöglicht, drei Modelle dessen zu entwickeln, was vor so vielen Jahren hätte passieren können.
Geburt der Sonne
Eine massive Konzentration von interstellarem Gas und Staub erzeugte eine molekulare Wolke, die den Geburtsort der Sonne bilden würde., Kalte Temperaturen führten dazu, dass das Gas zusammenklumpte und stetig dichter wurde. Die dichtesten Teile der Wolke begannen unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzubrechen und bildeten eine Fülle junger Sternobjekte, die als Protostare bekannt waren. Die Schwerkraft kollabierte weiterhin das Material auf das Säuglingsobjekt und erzeugte einen Stern und eine Materialscheibe, aus der sich die Planeten bilden würden. Als die Fusion eintrat, begann der Stern einen Sternwind zu sprengen, der dazu beitrug, die Trümmer zu beseitigen und sie daran zu hindern, nach innen zu fallen.,
Obwohl Gas und Staub junge Sterne in sichtbaren Wellenlängen umhüllen, haben Infrarotteleskope viele Wolken der Milchstraße untersucht, um die Geburtsumgebung anderer Sterne zu enthüllen. Wissenschaftler haben das, was sie in anderen Systemen gesehen haben, auf unseren eigenen Stern angewendet.
Nachdem sich die Sonne gebildet hatte, umgab sie rund 100 Millionen Jahre lang eine massive Materialscheibe. Das mag nach mehr als genug Zeit für die Bildung der Planeten klingen, aber astronomisch gesehen ist es ein Augenzwinkern., Als die neugeborene Sonne die Scheibe erhitzte, verdunstete das Gas schnell und gab den neugeborenen Planeten und Monden nur eine kurze Zeit, um es aufzuschaufeln.
Formationsmodelle
Wissenschaftler haben drei verschiedene Modelle entwickelt, um zu erklären, wie sich Planeten innerhalb und außerhalb des Sonnensystems gebildet haben können. Das erste und am weitesten verbreitete Modell, Core Accretion, funktioniert gut mit der Bildung der felsigen terrestrischen Planeten, hat aber Probleme mit Riesenplaneten. Die zweite, Kieselakkretion, könnte es Planeten ermöglichen, sich schnell aus den kleinsten Materialien zu bilden., Die dritte, die Disk Instability-Methode, kann für die Schaffung von Riesenplaneten verantwortlich sein.
Das Kernakkretionsmodell
Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war das Sonnensystem eine Staub-und Gaswolke, die als Sonnennebel bekannt war. Die Schwerkraft brach das Material in sich zusammen, als es sich zu drehen begann und die Sonne in der Mitte des Nebels bildete.
Mit dem Aufstieg der Sonne begann das verbleibende Material zusammenzuklumpen. Kleine Teilchen zogen sich, durch die Schwerkraft gebunden, zu größeren Teilchen zusammen., Der Sonnenwind fegte leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium aus den näheren Regionen weg und hinterließ nur schwere, felsige Materialien, um terrestrische Welten zu schaffen. Aber weiter weg hatten die Sonnenwinde weniger Einfluss auf leichtere Elemente, so dass sie zu Gasriesen verschmelzen konnten. Auf diese Weise wurden Asteroiden, Kometen, Planeten und Monde geschaffen.
Einige Exoplanetenbeobachtungen scheinen die Kernakkretion als dominanten Bildungsprozess zu bestätigen., Sterne mit mehr „Metallen“ — ein Begriff, den Astronomen für andere Elemente als Wasserstoff und Helium verwenden — haben in ihren Kernen mehr Riesenplaneten als ihre metallarmen Cousins. Laut NASA deutet die Kernakkretion darauf hin, dass kleine, felsige Welten häufiger vorkommen sollten als die massiveren Gasriesen.
Die Entdeckung eines riesigen Planeten mit einem massiven Kern, der den sonnenähnlichen Stern HD 149026 umkreist, ist ein Beispiel für einen Exoplaneten, der dazu beigetragen hat, den Fall für die Kernakkretion zu stärken.,
„Dies ist eine Bestätigung der Kernakkretionstheorie für die Planetenbildung und ein Beweis dafür, dass Planeten dieser Art im Überfluss existieren sollten“, sagte Greg Henry in einer Pressemitteilung. Henry, ein Astronom an der Tennessee State University, Nashville, entdeckte die Verdunkelung des Sterns.
Im Jahr 2017 plant die Europäische Weltraumorganisation den Start des charakterisierenden Exoplanetensatelliten (CHEOPS), der Exoplaneten in Größen von Supererden bis Neptun untersuchen wird. Das Studium dieser fernen Welten kann helfen zu bestimmen, wie sich Planeten im Sonnensystem gebildet haben.,
„Im Kernakkretionsszenario muss der Kern eines Planeten eine kritische Masse erreichen, bevor er Gas außer Kontrolle geraten kann“, sagte das CHEOPS-Team. „Diese kritische Masse hängt von vielen physikalischen Variablen ab, von denen eine der wichtigsten die Akkretionsrate von Planetesimalen ist.“
Indem CHEOPS untersucht, wie wachsende Planeten Material abscheiden, wird er Einblick geben, wie Welten wachsen.
Das Scheibeninstabilitätsmodell
Aber die Notwendigkeit einer schnellen Bildung für die riesigen Gasplaneten ist eines der Probleme der Kernakkretion., Nach Modellen dauert der Prozess mehrere Millionen Jahre, länger als die leichten Gase im frühen Sonnensystem verfügbar waren. Gleichzeitig steht das Kernakkretionsmodell vor einem Migrationsproblem, da sich die Babyplaneten wahrscheinlich in kurzer Zeit in die Sonne drehen werden.
„Riesenplaneten bilden sich in wenigen Millionen Jahren sehr schnell“, sagte Kevin Walsh, Forscher am Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder, Colorado Space.com. “ Das schafft ein Zeitlimit, weil die Gasscheibe um die Sonne nur 4 bis 5 Millionen Jahre dauert.,“
Nach einer relativ neuen Theorie sind Scheibeninstabilität, Staub-und Gasklumpen früh im Leben des Sonnensystems miteinander verbunden. Mit der Zeit verdichten sich diese Klumpen langsam zu einem riesigen Planeten. Diese Planeten können sich schneller als ihre Kernakkretionsrivalen bilden, manchmal in nur 1.000 Jahren, so dass sie die schnell verschwindenden leichteren Gase einfangen können. Sie erreichen auch schnell eine umlaufbahnstabilisierende Masse, die sie davon abhält, in die Sonne zu marschieren.,
Wenn Wissenschaftler weiterhin Planeten innerhalb des Sonnensystems sowie um andere Sterne untersuchen, werden sie besser verstehen, wie sich Gasriesen gebildet haben.
Pebble accretion
Die größte Herausforderung für die Kernakkretion besteht darin, massive Gasriesen schnell genug aufzubauen, um die leichteren Komponenten ihrer Atmosphäre zu erfassen. Neuere Forschungen untersuchten, wie kleinere, kieselgroße Objekte miteinander verschmolzen, um Riesenplaneten zu bilden, die bis zu 1.000-mal schneller waren als frühere Studien.,
„Dies ist das erste Modell, von dem wir wissen, dass Sie mit einer ziemlich einfachen Struktur für den Sonnennebel beginnen, aus dem sich Planeten bilden, und am Ende das Riesenplanetensystem haben, das wir sehen“, sagte Studienautor Harold Levison, Astronom bei SwRI. Space.com im Jahr 2015.
2012 schlugen die Forscher Michiel Lambrechts und Anders Johansen von der Universität Lund in Schweden vor, dass winzige Kieselsteine, die einst abgeschrieben wurden, den Schlüssel zum schnellen Aufbau von Riesenplaneten bildeten.,
„Sie zeigten, dass die übrig gebliebenen Kieselsteine aus diesem Bildungsprozess, die zuvor für unwichtig gehalten wurden, tatsächlich eine große Lösung für das planetenbildende Problem darstellen könnten“, sagte Levison.
Levison und sein Team bauten auf dieser Forschung auf, um genauer zu modellieren, wie die winzigen Kieselsteine Planeten bilden könnten, die heute in der Galaxie zu sehen sind., Während frühere Simulationen, sowohl große als auch mittelgroße Objekte, ihre kieselgroßen Cousins mit einer relativ konstanten Rate verbrauchten, legen Levisons Simulationen nahe, dass die größeren Objekte eher wie Tyrannen agierten und Kieselsteine von den mittelgroßen Massen wegschnappten, um viel schneller zu wachsen.
„Die größeren Objekte neigen jetzt dazu, die kleineren mehr zu streuen als die kleineren, so dass die kleineren am Ende aus der Kieselscheibe verstreut werden“, sagte Studien-Co-Autorin Katherine Kretke, ebenfalls von SwRI Space.com., „Der größere Typ schikaniert im Grunde den kleineren, damit er alle Kieselsteine selbst essen kann und sie weiterwachsen können, um die Kerne der Riesenplaneten zu bilden.“
Ein schönes Modell
Ursprünglich dachten Wissenschaftler, dass Planeten im selben Teil des Sonnensystems entstanden sind, in dem sie sich heute befinden. Die Entdeckung von Exoplaneten erschütterte die Dinge und enthüllte, dass zumindest einige der massivsten Objekte wandern könnten.,
Im Jahr 2005 schlug ein Trio von Papieren in der Zeitschrift Nature vor, dass die Riesenplaneten in kreisförmigen Umlaufbahnen viel kompakter gebunden seien als heute. Eine große Scheibe aus Felsen und Ices umgab sie und erstreckte sich bis zum 35-fachen der Erde-Sonne-Entfernung, knapp jenseits der gegenwärtigen Umlaufbahn von Neptun. Sie nannten dies das Schöne Modell, nach der Stadt in Frankreich, in der sie es zuerst diskutierten.
Als die Planeten mit den kleineren Körpern interagierten, zerstreuten sie die meisten von ihnen in Richtung Sonne., Der Prozess veranlasste sie, Energie mit den Objekten zu tauschen und den Saturn, Neptun und Uranus weiter in das Sonnensystem zu schicken. Schließlich erreichten die kleinen Objekte den Jupiter, der sie an den Rand des Sonnensystems oder vollständig aus ihm heraus fliegen ließ.
Die Bewegung zwischen Jupiter und Saturn trieb Uranus und Neptun in noch exzentrischere Bahnen und schickte das Paar durch die verbleibende ices-Scheibe. Ein Teil des Materials wurde nach innen geschleudert, wo es während des späten schweren Bombardements in die terrestrischen Planeten stürzte. Anderes Material wurde nach außen geschleudert, wodurch der Kuipergürtel entstand.,
Als sie sich langsam nach außen bewegten, tauschten Neptun und Uranus Orte aus. Schließlich führten Wechselwirkungen mit den verbleibenden Trümmern dazu, dass sich das Paar auf kreisförmigeren Wegen niederließ, als sie ihre aktuelle Entfernung von der Sonne erreichten.
Auf dem Weg dorthin ist es möglich, dass ein oder sogar zwei andere Riesenplaneten aus dem System geworfen wurden. Der Astronom David Nesvorny von SwRI hat das frühe Sonnensystem auf der Suche nach Hinweisen modelliert, die zum Verständnis seiner frühen Geschichte führen könnten.,
„In den frühen Tagen war das Sonnensystem sehr unterschiedlich, mit viel mehr Planeten, vielleicht so massiv wie Neptun, die sich bildeten und an verschiedene Orte verstreut waren“, sagte Nesvorny Space.com
Wassersammler
Das Sonnensystem hat seinen Bildungsprozess nach der Bildung der Planeten nicht abgeschlossen. Die Erde hebt sich von den Planeten durch ihren hohen Wassergehalt ab, von dem viele Wissenschaftler vermuten, dass sie zur Entwicklung des Lebens beigetragen hat., Der aktuelle Standort des Planeten war jedoch zu warm, um Wasser im frühen Sonnensystem zu sammeln, was darauf hindeutet, dass die lebensspendende Flüssigkeit möglicherweise nach dem Wachsen abgegeben wurde.
Aber Wissenschaftler kennen die Quelle dieses Wassers immer noch nicht. Ursprünglich vermuteten sie Kometen, aber mehrere Missionen, darunter sechs, die Halleys Kometen in den 1980er Jahren und den Rosetta-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation flogen, zeigten, dass die Zusammensetzung des eisigen Materials aus den Außenbezirken des Sonnensystems nicht ganz mit der der Erde übereinstimmte.,
Der Asteroidengürtel bildet eine weitere potentielle Wasserquelle. Mehrere Meteoriten haben Hinweise auf Veränderungen gezeigt, Veränderungen, die zu Beginn ihres Lebens vorgenommen wurden und darauf hindeuten, dass Wasser in irgendeiner Form mit ihrer Oberfläche interagierte. Auswirkungen von Meteoriten könnten eine weitere Wasserquelle für den Planeten sein.
In letzter Zeit haben einige Wissenschaftler die Vorstellung in Frage gestellt, dass die frühe Erde zu heiß war, um Wasser zu sammeln. Sie argumentieren, dass der Planet, wenn er sich schnell genug gebildet hätte, das notwendige Wasser aus den eisigen Körnern gesammelt hätte, bevor sie verdampft wären.,
Während die Erde an ihrem Wasser festhielt, wären Venus und Mars wahrscheinlich der wichtigen Flüssigkeit auf die gleiche Weise ausgesetzt gewesen. Steigende Temperaturen auf der Venus und eine verdampfende Atmosphäre auf dem Mars hielten sie jedoch davon ab, ihr Wasser zurückzuhalten, was zu den trockenen Planeten führte, die wir heute kennen.