Wie unsere Planeten entstanden sind

Merkur, Venus, Erde und Mars im inneren Sonnensystem sind relativ kleine, trockene Planeten im Gegensatz zu Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun weiter draussen, die viel mehr fl¨¹chtige Elemente enthalten. ?In den letzten Jahren haben wir zudem einen weiteren deutlichen Unterschied zwischen innerem und ?usserem Sonnensystem entdeckt?, sagt Maria Sch?nb?chler, Professorin am Institut f¨¹r Geochemie und Petrologie der ETH Z¨¹rich: ?Meteoriten haben einen unterschiedlichen ¡®Fingerabdruck¡¯, je nachdem, ob sie aus dem inneren oder ?usseren Sonnensystem stammen.? Je nach Herkunft unterscheidet sich ihr sogenannter Isotopengehalt. Isotope sind verschiedene Atomsorten eines Elements, die im Kern die gleiche Anzahl Protonen aber unterschiedlich viele Neutronen besitzen.

Die bisherige Erkl?rung f¨¹r die Unterschiede bei der chemischen Zusammensetzung von Planeten und Meteoriten: Als das Sonnensystem vor 4,5 Milliarden Jahren aus einer Gas- und Staubscheibe entstand, wurde als erster Planet Jupiter geboren. Er teilte die Scheibe in ein inneres und ?usseres System und blockierte den Austausch von Materie zwischen den beiden Teilen.

?In Zusammenarbeit zwischen Forschenden aus verschiedenen Fachbereichen haben wir ein neues Modell der Planetenentstehung entwickelt: Es liefert eine alternative Erkl?rung der Isotopenunterschiede; Jupiter brauchen wir dazu erstmal nicht?, erkl?rt Sch?nb?chler. Die Idee f¨¹r die neue Theorie entstand in Zusammenarbeit zwischen Forschenden der ETH und Universit?t Z¨¹rich im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS, dem die Kosmochemikerin angeh?rt. Nun ver?ffentlicht das internationale Team seine Arbeit in der Zeitschrift ?Science?.

Zwei Entstehungswellen zu verschiedenen Zeitpunkten

?Mit Computersimulationen haben wir berechnet, was im fr¨¹hen Sonnensystem geschehen sein k?nnte?, sagt Tim Lichtenberg von der Universit?t Oxford, Erstautor der Studie und ehemaliges Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS.

Gem?ss den Simulationen entstand das innere und ?ussere Sonnensystem in zwei unterschiedlichen Wellen zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Extrem fr¨¹h, als die urspr¨¹ngliche Scheibe aus Gas und Staub sowie die Sonne noch selber im Entstehen waren, formten sich im inneren Sonnensystem die ersten Bausteine der Planeten ¨C Brocken mit einem Durchmesser von ungef?hr 100 Kilometern, von den Fachleuten Planetesimale genannt. Eine wichtige Rolle spielte dabei die sogenannte Schneelinie, die sich in einem bestimmten Abstand um die sehr junge Sonne zog. Innerhalb dieser Grenze kam das Wasser in Form von Wasserdampf vor. Ausserhalb bildeten sich Eiskristalle. Dort kondensierte ein Teil des Wasserdampfs auf Staubk?rnern, die zusammenklumpten und so die ersten Planetesimale formten.

?Diese waren extrem wasserreich?, erkl?rt Lichtenberg: ?Das ist erst mal seltsam, weil die Erde damit deutlich mehr Wasser enthalten und heute eher wie ein Komet aussehen sollte.? Doch auch daf¨¹r hat die neue Theorie eine Erkl?rung: Die Staubscheibe enthielt das radioaktive Isotop Aluminium-26. Die Planetenbausteine erbten dieses Material, das mit einer Halbwertszeit von 700'000 Jahren zerf?llt und dabei viel Energie abgibt ¨C genug, um die Planetesimale von innen aufzuheizen und zu schmelzen. Es formten sich Eisenkerne und das Wasser sowie andere fl¨¹chtige Elemente verdampften.

Schneelinie wandert nach aussen

?Nachdem die ersten Planetesimale im inneren Sonnensystem entstanden sind, passiert in unserem Modell w?hrend rund einer halben Million Jahren nichts mehr?, erkl?rt Lichtenberg. Dann kommt es zu einer zweiten Welle der Planetesimal-Entstehung - diesmal im ?usseren Sonnensystem. Die Schneelinie ist inzwischen nach aussen gewandert, weil sich die Gas- und Staubscheibe aufgeheizt hat. Staubpartikel, die sich in Richtung Sonne bewegen, werden an der neuen Schneegrenze aufgehalten. Die Forschenden sprechen von ?Traffic jam? - Verkehrsstau. Dadurch bilden sich erneut Planetesimale. ?Die Bildung der Planeten im ?usseren Sonnensystem begann sp?ter, war aber deutlich schneller beendet; die inneren Planeten brauchten wesentlich l?nger?, sagt Lichtenberg. Weil der zweite Prozess sp?ter startete, war ein grosser Teil des radioaktiven Aluminium-26 bereits zerfallen und es wurden weniger fl¨¹chtige Elemente abgedampft. In Folge entstanden dort draussen die Gas- und Eisriesen wie Jupiter oder Uranus.

Neue Kombination aktueller Daten

?Unser Modell wirft zudem ein neues Licht auf das weitere Anwachsen der urspr¨¹nglichen Planetesimale im inneren Sonnensystemen, bis daraus die Gesteinsplaneten wie unsere Erde entstanden sind?, sagt Maria Sch?nb?chler. Gem?ss dem Modell dominierten anf?nglich Zusammenst?sse zwischen den Planetesimalen. Dann folgte eine Phase, bei welcher diese K?rper aufgrund ihrer Schwerkraft Staubk?rner ansammelten. Die Fachleute nennen diesen Prozess ?Pebble accretion?. Darauf folgten wiederum Kollisionen, bis die Erde am Ende des Bildungsvorgangs mit dem letzten grossen Brocken zusammenstiess. Bei diesem Zusammenprall wurde Masse aus der fr¨¹hen Erde herausgeschleudert, aus welcher der Mond entstand. Die Simulationen zeigen zudem, wie die Planeten w?hrend ihrer Bildung n?her zur Sonne wanderten, bis sie ihre heutige Umlaufbahn erreichten.

?In unserer Studie schlagen wir ein Gesamtszenario vor, das die Zusammensetzung und Entstehungsgeschichte des Sonnensystems reproduziert?, sagt Tim Lichtenberg. Tats?chlich widerspiegeln die Computerberechnungen die Daten von Meteoriten-Analysen und astronomischen Beobachtungen. ?Diese Kombination von aktuellen Meteoritendaten und Entwicklungsmodellen ist neu?, fasst Maria Sch?nb?chler zusammen und ist begeistert ?wie gut alles passt?.