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Neue Theorie der Planetenentstehung
15. Februar 2005. Eine neue Theorie der Planetenentstehung erklärt, warum es in den turbulenten Gaswirbeln die junge Sterne umgeben einige stabile Bahnen gibt, auf denen sich Planeten entwickeln können ohne gleich wieder zerstört zu werden.


Ausschnitt der Computersimulation Vergrößerung (67k) (Quelle: Indiana University)

„Diese Theorie ist eine weitere Variante der Planetenbildung,“ erklärt Richard Durisen, Professor für Astronomie an der Indiana University. „Die Theorie verbindet die beiden heute gängigen Theorien der Planetenentstehung.“

Betrachtet man die laufende Simulation der Theorie auf einem Computerbildschirm, ist es als hätte man seinen Aussichtspunkt im Weltraum und würde den Planeten bei der Entstehung zusehen. Eine grüne Gasscheibe wirbelt um einen zentralen Stern. Schließlich erscheinen gelbe Spiralarme innerhalb der Scheibe, in denen sich die Materie verdichtet hat. Später erscheinen einige rote Punkte, erst nur ganz schwach aber nach und nach immer deutlicher. Diese roten Regionen sind noch dichter als die gelben und zeigen Regionen, aus denen einmal Planeten entstehen könnten.

Die turbulenten Gas- und Staubscheiben sind natürlich nur mathematische Konstrukte aus hydrodynamischen Berechnungen und Computergrafiken. Die Ergebnisse der Berechnungen werden als farbige Animationen ausgegeben.

„Das sind die Scheiben die Astronomen um die meisten jungen Sterne beobachten und aus denen Planeten entstehen. Unser eigenes Sonnensystem formte aus einer solchen Scheibe,“ sagt Durisen.

Wissenschaftler kennen heute mehr als 130 extrasolare Planeten und fast jeder von ihnen ist mindestens so groß wie Jupiter. „Gasriesen sind wesentlich häufiger als wir uns das vor zehn Jahren vorstellen konnten.“

Der Schlüssel zum Verständnis der Planetenbildung liegt laut Durisen in Schwerkraft-Instabilitäten (engl. gravitational instabilities). Wissenschaftler nehmen seit längerem an, dass Gasscheiben massiv und kalt genug sind, damit der Schwerkraftdruck den Gasdruck überwindet und sich so Planetoiden in Teilen der Scheibe bilden können.

Eine gravitativ instabile Scheibe ist jedoch eine turbulente Umgebung. Zusammenstöße mit anderen Körpern können einen werdenden Planeten zerstören oder ihn in den zentralen Stern schleudern. Wenn sich Planeten in einer solchen Scheibe bilden sollen, brauchen sie eine ruhige lokale Umgebung. Durisen glaubt, dass er sie mit seiner Theorie gefunden hat.

Während der Simulation entstehen dichtere Gasringe am Rand instabiler Regionen. Wenn diese dichteren Zonen nun schnell in die Mitte des Rings wandern, könnte sich ein Planetenkern sehr viel schneller entwickeln.

Der Zeitfaktor ist entscheidend. Eine Herausforderung mit der Theoretiker wie Durisen seit einiger Zeit zu tun haben ist die Erkenntnis, dass sich Gasriesen wie Jupiter sehr schnell, innerhalb weniger Millionen Jahre, entwickelt haben müssen. Das müssen sie, denn sonst wäre das benötigte Gas verschwunden.

Diese Notwendigkeit der Geschwindigkeit bringt Theorien wie die Kern-Akkretionstheorie (engl core accretion), die von einer langsamen Entstehung ausgehen, in Schwierigkeiten.

„In der Kern-Akkretionstheorie entstehen Gasriesen ähnlich wie erdähnliche Planeten durch Akkumulation von Objekten.,“ erklärt Durisen. „Feste Objekte stoßen zusammen und bleiben miteinander verbunden. Wenn ein fester Körper etwa die zehnfache Größe der Erde erreicht hat ist er schwer genug, eventuell vorhandenes Gas durch Gravitation zu binden. Ist dieser Punkt erreicht, entwickelt sich ein Gasriese sehr schnell.“

Das Problem ist, dass es sehr lange dauert, zwischen 10 und 100 Millionen Jahre, bis sich ein fester Kern entwickelt hat. Diese Theorie könnte für Jupiter und Saturn gelten, aber nicht für Dutzende von Exoplaneten. Viele dieser Planeten haben die mehrfache Masse des Jupiter und es ist sehr schwer das durch Kern-Akkretion zu erreichen.

Die Theorie nach der Instabilitäten der Schwerkraft Gasriesen hervorbringen können, ist über 50 Jahre alt. Erst kürzlich wurde sie wieder entdeckt, da es bei der Akkretionstheorie zu Problemen kam. Die Idee, dass große Gasmengen plötzlich unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren und innerhalb weniger Umläufe einen Gasriesen formen würde zur verfügbaren Zeit passen. Auch diese Theorie ist nicht frei von Widersprüchen.

Nach der Instabilitätstheorie entstehen Spiralarme in einer Gasscheibe, um dann Klumpen zu formen die sich in einem anderen Orbit befinden. Durisen sieht diese Klumpen auch in seinen Simulationen, aber sie überleben nicht lang.

„Die Klumpen fliegen umher und werden zerstört und bilden sich neu. Wenn die Instabilitäten groß genug sind, wird aus einem Spiralarm ein Haufen Klumpen. Die Frage ist, was passiert dann mit ihnen?“  

Quelle: Indiana University zur Startseite...
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