Obwohl Planeten die Sterne in der Galaxie umgeben, ist es nach wie vor umstritten, wie sie entstehen. Trotz der Fülle von Welten in unserem eigenen Sonnensystem sind sich die Wissenschaftler immer noch nicht sicher, wie Planeten entstehen. Derzeit streiten sich zwei Theorien um die Rolle des Champions.

Die erste und am weitesten akzeptierte Theorie, die Kernakkretion, funktioniert gut bei der Entstehung von terrestrischen Planeten wie der Erde, hat aber Probleme bei Riesenplaneten. Die zweite, die Methode der Scheibeninstabilität, kann die Entstehung dieser Riesenplaneten erklären.

Wissenschaftler untersuchen weiterhin Planeten innerhalb und außerhalb des Sonnensystems, um besser zu verstehen, welche dieser Methoden am genauesten ist.

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Das Kernakkretionsmodell

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war das Sonnensystem eine Wolke aus Staub und Gas, die als Sonnennebel bekannt ist. Die Schwerkraft ließ das Material in sich zusammenfallen, als es sich zu drehen begann und die Sonne im Zentrum des Nebels bildete.

Mit dem Aufgang der Sonne begann das restliche Material zu verklumpen. Kleine Teilchen zogen sich, gebunden durch die Schwerkraft, zu größeren Partikeln zusammen. Der Sonnenwind fegte leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium aus den näheren Regionen weg, so dass nur schweres, felsiges Material zurückblieb, aus dem kleinere irdische Welten wie die Erde entstanden. In weiter entfernten Regionen hatte der Sonnenwind jedoch weniger Einfluss auf die leichteren Elemente, so dass diese zu Gasriesen zusammenwachsen konnten. Auf diese Weise entstanden Asteroiden, Kometen, Planeten und Monde.

Der felsige Kern der Erde bildete sich zuerst, wobei schwere Elemente zusammenstießen und sich miteinander verbanden. Dichtes Material sank in das Zentrum, während das leichtere Material die Kruste bildete. Das Magnetfeld des Planeten bildete sich wahrscheinlich um diese Zeit. Durch die Schwerkraft wurden einige der Gase eingefangen, aus denen die frühe Atmosphäre des Planeten bestand.

Früh in ihrer Entwicklung erlitt die Erde einen Einschlag durch einen großen Körper, der Teile des Mantels des jungen Planeten in den Weltraum schleuderte. Durch die Schwerkraft zogen sich viele dieser Stücke zusammen und bildeten den Mond, der eine Umlaufbahn um seinen Schöpfer einnahm.

Der Fluss des Mantels unter der Kruste verursacht die Plattentektonik, die Bewegung der großen Gesteinsplatten an der Erdoberfläche. Durch Kollisionen und Reibung entstanden Berge und Vulkane, die Gase in die Atmosphäre ausstießen.

Auch wenn die Zahl der Kometen und Asteroiden, die das innere Sonnensystem durchqueren, heute gering ist, waren sie doch zahlreicher, als die Planeten und die Sonne noch jung waren. Die Kollisionen mit diesen Eiskörpern haben wahrscheinlich einen Großteil des Wassers auf der Erdoberfläche abgelagert. Da sich der Planet in der Goldlöckchen-Zone befindet, dem Bereich, in dem flüssiges Wasser weder gefriert noch verdunstet, sondern flüssig bleiben kann, blieb das Wasser an der Oberfläche, was nach Ansicht vieler Wissenschaftler eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Leben spielt.

Beobachtungen von Exoplaneten scheinen die Kernakkretion als dominierenden Entstehungsprozess zu bestätigen. Sterne mit mehr „Metallen“ – ein Begriff, den Astronomen für andere Elemente als Wasserstoff und Helium verwenden – in ihren Kernen haben mehr Riesenplaneten als ihre metallarmen Vettern. Laut NASA legt die Kernakkretion nahe, dass kleine, felsige Welten häufiger vorkommen sollten als die massereicheren Gasriesen.

Die Entdeckung eines Riesenplaneten mit einem massiven Kern im Jahr 2005, der den sonnenähnlichen Stern HD 149026 umkreist, ist ein Beispiel für einen Exoplaneten, der dazu beigetragen hat, die These von der Kernakkretion zu untermauern.

„Dies ist eine Bestätigung der Kernakkretionstheorie für die Planetenentstehung und ein Beweis dafür, dass Planeten dieser Art im Überfluss vorhanden sein sollten“, sagte Greg Henry in einer Presseerklärung. Henry, Astronom an der Tennessee State University in Nashville, entdeckte die Verdunkelung des Sterns.

Im Jahr 2017 plant die Europäische Weltraumorganisation den Start des CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS), der Exoplaneten in Größenordnungen von Supererden bis hin zum Neptun untersuchen soll. Die Untersuchung dieser fernen Welten kann dazu beitragen, herauszufinden, wie sich Planeten im Sonnensystem gebildet haben.

„Im Szenario der Kernakkretion muss der Kern eines Planeten eine kritische Masse erreichen, bevor er in der Lage ist, Gas in einer unkontrollierten Weise zu akkretieren“, so das CHEOPS-Team.

„Diese kritische Masse hängt von vielen physikalischen Variablen ab, von denen eine der wichtigsten die Rate der Akkretion von Planetesimalen ist.“

Durch die Untersuchung, wie wachsende Planeten Material akkretieren, wird CHEOPS Einblicke in das Wachstum von Welten liefern.

Das Modell der Scheibeninstabilität

Obwohl das Modell der Kernakkretion für terrestrische Planeten gut funktioniert, hätten sich Gasriesen schnell entwickeln müssen, um die beträchtliche Masse an leichteren Gasen, die sie enthalten, zu erfassen. Die Simulationen waren jedoch nicht in der Lage, diese schnelle Entstehung zu erklären. Den Modellen zufolge dauert der Prozess mehrere Millionen Jahre, länger als die leichten Gase im frühen Sonnensystem verfügbar waren. Gleichzeitig ist das Modell der Kernakkretion mit einem Migrationsproblem konfrontiert, da die Babyplaneten wahrscheinlich in kurzer Zeit in die Sonne eindringen werden.

Nach einer relativ neuen Theorie, der Scheibeninstabilität, werden Klumpen von Staub und Gas schon früh im Leben des Sonnensystems zusammengebunden. Mit der Zeit verdichten sich diese Klumpen langsam zu einem Riesenplaneten. Diese Planeten können sich schneller bilden als ihre Konkurrenten im Kern, manchmal in nur tausend Jahren, so dass sie die schnell verschwindenden leichteren Gase einfangen können. Außerdem erreichen sie schnell eine Masse, die ihre Umlaufbahn stabilisiert und sie davor bewahrt, in die Sonne zu stürzen.

Wenn die Scheibeninstabilität die Entstehung von Planeten dominiert, sollte sie nach Ansicht des Exoplaneten-Astronomen Paul Wilson eine große Anzahl von Welten mit großer Ordnung hervorbringen. Die vier Riesenplaneten, die in großer Entfernung um den Stern HD 9799 kreisen, sind ein Beleg für die Instabilität der Scheiben. Fomalhaut b, ein Exoplanet mit einer 2.000-jährigen Umlaufbahn um seinen Stern, könnte ebenfalls ein Beispiel für eine Welt sein, die durch Scheibeninstabilität entstanden ist, obwohl der Planet auch durch Wechselwirkungen mit seinen Nachbarn herausgeschleudert worden sein könnte.

Kugelakkretion

Die größte Herausforderung bei der Kernakkretion ist die Zeit – massive Gasriesen schnell genug zu bilden, um die leichteren Bestandteile ihrer Atmosphäre zu erfassen. Neuere Forschungen zeigen, dass kleinere, kieselsteingroße Objekte bis zu 1000-mal schneller als in früheren Studien zusammengeschmolzen sind, um Riesenplaneten zu bilden.

„Dies ist das erste Modell, von dem wir wissen, dass man mit einer ziemlich einfachen Struktur für den Sonnennebel beginnt, aus dem sich Planeten bilden, und am Ende das Riesenplanetensystem erhält, das wir sehen“, sagte der Hauptautor der Studie, Harold Levison, ein Astronom am Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, 2015 gegenüber Space.com.

Im Jahr 2012 schlugen die Forscher Michiel Lambrechts und Anders Johansen von der Universität Lund in Schweden vor, dass winzige Kieselsteine, die einmal abgeschrieben wurden, den Schlüssel zur schnellen Bildung von Riesenplaneten darstellen.

„Sie zeigten, dass die übrig gebliebenen Kieselsteine aus diesem Entstehungsprozess, von denen man bisher annahm, sie seien unwichtig, tatsächlich eine große Lösung für das Problem der Planetenbildung sein könnten“, so Levison.

Levison und sein Team bauten auf dieser Forschung auf, um genauer zu modellieren, wie die winzigen Kieselsteine, die heute in der Galaxie zu sehen sind, Planeten bilden könnten. Während frühere Simulationen davon ausgingen, dass sowohl große als auch mittelgroße Objekte ihre kieselsteingroßen Vettern mit einer relativ konstanten Rate verzehrten, deuten Levisons Simulationen darauf hin, dass die größeren Objekte sich eher wie Tyrannen verhielten, die den mittelgroßen Massen die Kieselsteine wegschnappten, um mit einer viel schnelleren Rate zu wachsen.

„Die größeren Objekte neigen nun dazu, die kleineren mehr zu zerstreuen als die kleineren sie zurückstreuen, so dass die kleineren am Ende aus der Kieselsteinscheibe herausgestreut werden“, sagte Studienkoautorin Katherine Kretke, ebenfalls vom SwRI, gegenüber Space.com. „

Wenn Wissenschaftler weiterhin Planeten innerhalb des Sonnensystems und um andere Sterne herum untersuchen, werden sie besser verstehen, wie sich die Erde und ihre Geschwister gebildet haben.

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