Riesiger Planet 'Destabilisierung' könnte mit der Geburt des Mondes der Erde zusammengefallen sein.

Ein lang zurückliegender Umbau der Riesenplaneten in unserem Sonnensystem könnte entscheidend dazu beigetragen haben, dass die Erde ihren Mond hat.

Seit Jahrzehnten vermuten Planetenwissenschaftler, dass Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun viel näher an der Sonne geboren wurden und dass gravitative Wechselwirkungen zwischen diesen Planeten sie in ihre heutigen Umlaufbahnen beförderten (SN: 5/10/22). Aber der Zeitpunkt dieser "großen planetaren Orbitalinstabilität" war schwierig zu bestimmen.

Jetzt deutet eine Analyse von Meteoritendaten darauf hin, dass die Instabilität zwischen 60 Millionen und 100 Millionen Jahren nach Beginn der Entstehung des Sonnensystems stattfand, berichtete der Planetenwissenschaftler Alessandro Morbidelli am 5. Oktober in San Antonio auf einem Treffen der Division für Planetenwissenschaften der American Astronomical Society. Diese Zeitspanne stimmt auch ungefähr mit der Vermutung überein, dass der Mond der Erde infolge des Zusammenstoßes eines Mars-großen Planeten mit der Erde entstanden ist.

Die Instabilität der Riesenplaneten "steht im Zusammenhang mit einer vollständigen Umgestaltung des Sonnensystems, der Bildung von kometaren Reservoirs und der Modellierung des Asteroidengürtels", sagt Morbidelli vom Observatoire de la Côte d'Azur in Nizza, Frankreich. "Zu verstehen, wann dies geschah, bedeutet einen Meilenstein in der Geschichte des Sonnensystems festzulegen."

Die Migration der Riesenplaneten, die Morbidelli und Kollegen 2005 erstmals vorschlugen, ist eine weithin akzeptierte Hypothese, um vieles im Sonnensystem zu erklären. Insbesondere bewegen sich die Riesenplaneten entlang leicht elliptischer Umlaufbahnen, die zueinander schief sind. Beobachtungen anderer Planetensysteme und Computersimulationen zur Planetenbildung legen jedoch nahe, dass Riesenplaneten im Allgemeinen auf engeren, kreisförmigen und koplanaren Bahnen entstehen. Morbidelli und andere zeigten anhand von Simulationen, dass die Riesenplaneten in unserem Sonnensystem, wenn sie so entstanden wären, nicht auf diesen Bahnen geblieben wären. Gravitative Wechselwirkungen würden die Planeten früher oder später in die heutigen Umlaufbahnen bringen.

Ursprünglich dachte das Team, dass diese Instabilität etwa 600 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems auftrat. Diese zeitliche Einordnung würde auch eine vermeintliche Asteroidenbombardierung der terrestrischen Planeten - Merkur, Venus, Erde und Mars - erklären, wie sie durch Krater auf dem Mond und Gesteinsproben der Apollo-Astronauten belegt ist. Neuere Arbeiten haben jedoch Zweifel an dieser "Mondkatastrophe" aufkommen lassen.

Jetzt vermutet Morbidelli, dass die orbitalen Instabilität viel früher auftrat. Seine Überlegungen basieren auf einer seltenen Art von Meteoriten, den EL-Enstatit-Chondriten.

Die Zusammensetzung der Elemente in diesen Meteoriten legt nahe, dass sie Überreste eines großen Felskörpers sind, der ein paar hundert Kilometer groß und in der staubigen Scheibe geboren wurde, die einst um unsere Sonne herumwirbelte und sich in der Nähe der terrestrischen Planeten befand.

Dann zeigten Morbidelli und Kollegen im Jahr 2022, dass alle auf der Erde landenden Enstatite-Meteorite aus einer Sammlung von Fragmenten im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter stammen müssen. Diese Fragmente brachen alle von Athor, einem der vielen Asteroiden dort, ab, nachdem er vor langer Zeit mit einem anderen Objekt im Gürtel kollidiert war. Insgesamt ergibt diese Materialfamilie einen Asteroiden von etwa 60 Kilometern Durchmesser - viel kleiner als derjenige, der angeblich die Enstatite-Meteorite im ersten Platz hervorgebracht hat. Das bedeutet, dass Athor nur ein Stück dieses größeren Felskörpers ist, das bei einer Kollision, die ihn viel näher an der Sonne zerstört hat, übrig geblieben ist.

"Die Frage ist, welcher dynamische Mechanismus die Einbettung von Athor im Asteroidengürtel ermöglichen kann?", sagte Morbidelli auf dem Treffen.

Er versuchte Computersimulationen mehrerer Möglichkeiten, aber bisher scheint nur die Instabilität der Riesenplaneten in der Lage zu sein, Athor auf eine stabile Umlaufbahn im Asteroidengürtel zu schicken.

Dies könnte nicht früher als 60 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems passiert sein, sagte Morbidelli. Radioaktive Elemente in den Enstatit-Chondriten deuten darauf hin, dass ihr Ursprungskörper bis dahin langsam abgekühlt war, was bedeutet, dass er noch groß war. Er war noch nicht mit einem der vielen anderen Planetesimale zusammengestoßen, die von den sich bildenden terrestrischen Planeten aufgewirbelt wurden.

Andererseits legen Simulationen nahe, dass die Instabilität nicht später als etwa 100 Millionen Jahre nach dem Beginn des Sonnensystems stattgefunden haben kann. Eine Studie aus dem Jahr 2018 ergab, dass, wenn die Riesenplaneten später wanderten, ein Paar von Asteroiden namens Patroclus-Menoetius, das Jupiter um die Sonne verfolgt und sich dabei gegenseitig umkreist, auseinandergerissen worden wäre.

That 60-million- to 100-million-year window makes the instability a prime suspect in the diversion of a hypothesized planet that hit Earth, creating the moon (SN: 3/15/23).  The timing “seems right,” says Matthew Clement, an astrophysicist at the Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Md.  “Lots of things were happening in the solar system’s early history. However, dynamically speaking, we don’t have a whole lot of reason to believe that things changed much after the moon-forming impact.”

But he cautions that Morbidelli’s estimate is based on “one data point, of the breakup of one asteroid, pieces of which serendipitously happened to get to Earth.”

Still, “it’s nice that [the new result] is actually based on some real data, even if it’s indirectly, rather than just computer models,” says planetary scientist John Chambers. He has questions, though. “They suggest this happened when the formation of the terrestrial planets was more or less complete, apart maybe from the giant impact that formed the moon,” says Chambers, of the Carnegie Institution for Science in Washington, D.C. “But then there’s a good chance it would have messed up the orbits of the terrestrial planets and possibly led to some of them colliding,” which the current lineup of planets suggests did not happen.

Both Chambers and Matthews have worked on scenarios in which the orbital instability occurred even earlier, just a few million years after the solar system began. That earlier time for the instability would help explain one of the outstanding riddles of the solar system: the relatively small size of Mars compared with Earth and Venus. That’s because the instability would have removed many objects from near the orbit of Mars before it could grow to the size of Earth or larger. The new result from Morbidelli’s team seems to exclude that solution.

“I’m prepared to rely on the evidence,” Chambers says. But he isn’t convinced yet because many facets of the solar system’s present structure must be reconciled with any date for the giant planet instability.

Clement agrees. “There’s problems if the instability happened at 500 million years. There’s still problems that we have to resolve if it happened when they say it happened,” he says. “And there’s still problems if it happened immediately after the planets formed, in the first few million years. This story is not done being told yet.”

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