Geheimnisse der schnellen Planetenbildung: Rätsel der protoplanetaren gelöst in überhöhter Geschwindigkeit

Illustration eines Modells, das zeigt, wie Gasriesen wie Jupiter, Saturn oder Uranus auch schnell im Sonnensystem aus dem Staub einer protoplanetaren Scheibe entstehen konnten und dann den Staub in Bereiche außerhalb ihrer Umlaufbahn treiben. Kredit: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Forscher haben ein neues Modell zur Planetenbildung entwickelt, das zeigt, wie Störungen in protoplanetaren Scheiben schnell Gasriesen bilden können. Dieser Prozess ist effizienter als bisher angenommen und entspricht den neuesten Beobachtungen von entfernten Gasriesen.

Unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft ist unser Sonnensystem. Wir kennen es gut: Die Sonne im Zentrum; dann die Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars; dann der Asteroidengürtel; gefolgt von den Gasriesen Jupiter und Saturn; dann die Eisriesen Uranus und Neptun; und schließlich der Kuipergürtel mit seinen Kometen.

Aber wie gut kennen wir wirklich unser Zuhause? Bisherige Theorien gingen davon aus, dass Riesenplaneten durch Kollisionen und Ansammlungen asteroidenähnlicher Himmelskörper, sogenannter Planetesimale, gebildet werden und durch die anschließende Anreicherung von Gas im Laufe von Millionen von Jahren. Diese Modelle erklären jedoch weder die Existenz von Gasriesen, die weit von ihren Sternen entfernt sind, noch die Bildung von Uranus und Neptun.

Astrophysiker der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), des ORIGINS-Clusters und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) haben das erste Modell entwickelt, das alle notwendigen physikalischen Prozesse, die bei der Planetenbildung eine Rolle spielen, berücksichtigt. Unter Verwendung dieses Modells haben sie gezeigt, dass ringförmige Störungen in protoplanetaren Scheiben, sogenannte Substrukturen, die schnelle Bildung mehrerer Gasriesen auslösen können. Die Ergebnisse der Studie stimmen mit den neuesten Beobachtungen überein und deuten darauf hin, dass die Bildung von Riesenplaneten effizienter und schneller ablaufen könnte als bisher angenommen.

„Wenn ein Planet groß genug wird, um die Gas­scheibe zu beeinflussen, führt dies zu einer erneuten Staubanreicherung weiter außen in der Scheibe. Dabei treibt der Planet den Staub – ähnlich einem Hund, der seine Herde jagt – in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn.“ — Prof. Til Birnstiel

Die Forscher zeigen mit ihrem Modell, wie millimetergroße Staubpartikel aerodynamisch in der turbulenten Gasscheibe angesammelt werden und wie diese anfängliche Störung in der Scheibe den Staub einfängt und verhindert, dass er in Richtung des Sterns verschwindet. Diese Anhäufung macht das Wachstum von Planeten sehr effizient, da plötzlich viel „Baumaterial“ in einem kompakten Bereich verfügbar ist und die richtigen Bedingungen für die Planetenbildung gegeben sind.

„Wenn ein Planet groß genug wird, um die Gas­scheibe zu beeinflussen, führt dies zu einer erneuten Staubanreicherung weiter außen in der Scheibe“, erklärt Til Birnstiel, Professor für Theoretische Astrophysik an der LMU und Mitglied des Exzellenzclusters ORIGINS. „Dabei treibt der Planet den Staub – ähnlich einem Hund, der seine Herde jagt – in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn.“ Der Prozess beginnt von neuem, von innen nach außen, und ein weiterer Gasriese kann entstehen. „Das ist das erste Mal, dass eine Simulation den Prozess nachverfolgt hat, bei dem feiner Staub zu Riesenplaneten heranwächst“, stellt Tommy Chi Ho Lau fest, Erstautor der Studie und Doktorand an der LMU.

In unserem Sonnensystem befinden sich die Gasriesen in einer Entfernung von etwa 5 astronomischen Einheiten (AE) (Jupiter) bis 30 AE (Neptun) von der Sonne. Zum Vergleich ist die Erde etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, was 1 AE entspricht.

Die Studie zeigt, dass in anderen planetaren Systemen eine Störung den Prozess auch in viel größeren Entfernungen in Gang setzen und dennoch sehr schnell ablaufen kann. Solche Systeme wurden in den letzten Jahren häufig vom ALMA-Radioteleskop beobachtet, das Gasriesen in jungen Scheiben in einer Entfernung von über 200 AE entdeckt hat. Das Modell erklärt jedoch auch, warum unser Sonnensystem anscheinend nach Neptun aufgehört hat, zusätzliche Planeten zu bilden: Das Baumaterial war einfach aufgebraucht.

Die Ergebnisse der Studie entsprechen den aktuellen Beobachtungen von jungen planetaren Systemen, die ausgeprägte Substrukturen in ihren Scheiben aufweisen. Diese Substrukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Planetenbildung. Die Studie deutet darauf hin, dass die Bildung von Riesenplaneten und Gasriesen effizienter und schneller verläuft als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten unser Verständnis für die Entstehung und Entwicklung der Gasriesen in unserem Sonnensystem verfeinern und die Vielfalt beobachteter planetarer Systeme erklären.

Referenz: „Sequential giant planet formation initiated by disc substructure“ von Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska und Sebastian Markus Stammler, 31. Juli 2024, Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202450464