In den letzten Jahren haben Astronomen viele Planeten bei anderen Sternen entdeckt und darunter auch viele sehr junge Systeme, bei denen die Himmelskörper gerade erst entstanden sind. Wir kennen außerdem viele sogenannte protoplanetare Scheiben: große Mengen an Staub und Gas die einen Stern umgeben und aus denen später einmal Planeten entstehen. Was man bis jetzt allerdings noch nicht beobachten konnte, ist das, was dazwischen passiert. Der Staub klumpt im Laufe der Zeit zu größeren Brocken zusammen, den Planetesimalen die wiederum selbst miteinander kollidieren und dabei am Ende große Planeten formen. So lautet zumindest die Theorie, denn gesehen hat diesen Vorgang bis jetzt noch niemand. Astronomen von der Universität Bristol haben nun überlegt, wie man das ändern könnte.
Es gibt mehrere Gründe, warum man den kritischen Schritt bei der Entstehung von Planeten so schwer beobachten kann. Staub zum Beispiel ist zwar klein, hat aber im Verhältnis zu seiner Masse (insgesamt) eine sehr große Oberfläche. Staub wird durch die Strahlung des Sterns aufgeheizt und gibt die Strahlung in Form von Wärme wieder ab und das lässt sich sehr gut beobachten. Planeten haben im Verhältnis zu ihrer Masse nur eine sehr kleine Oberfläche und leuchten selbst nicht; sind aber eben massereich genug um ihren Stern gravitativ zu beeinflussen was sich ebenfalls beobachten lässt. Aber die meter- bzw. kilometergroßen Felsbrocken, die Planetesimale die aus dem Staub entstanden sind und aus denen die Planeten entstehen sind weder massereich genug um irgendwelche beobachtbaren Auswirkungen beim Stern zu verursachen, noch ist ihre Oberfläche ausreichend um genug detektierbare Strahlung abzugeben. Und haben sich daher bis jetzt der Beobachtung immer erfolgreich entzogen.
Dieses Bild, das vom großen Radioteleskop ALMA aufgenommen worden ist, zeigt eine protoplanetare Scheibe um den Stern HL Tauri:
Man sieht das Leuchten des Staubs, aber auch dunkle Stellen in der Scheibe, die darauf hinweisen, dass sich hier schon größere Planeten gebildet haben. Mit ihrer Gravitationskraft räumen sie den Staub entlang ihrer Umlaufbahn aus dem Weg und bald wird sich die protoplanetare Scheibe ganz aufgelöst haben. Den Zwischenschritt der eigentlichen Planetenentstehung hat man hier schon verpasst – aber in Zukunft könnte ALMA anderswo erfolgreicher mit der Beobachtung sein.
Das ist das Resultat einer Arbeit von Zoë Leinhardt von der Universität Bristol und ihrer Kollegen (“Numerically Predicted Indirect Signatures of Terrestrial Planet Formation”). Sie haben sich überlegt, dass man zwar die Planetesimale nicht direkt beobachten kann, aber vielleicht die Auswirkungen dessen, was sie tun wenn sich Planeten bilden. Das geschieht dem aktuellen Modell der Planetenentstehung zufolge durch Kollisionen. Planetesimale stoßen zusammen und verschmelzen dabei zu immer größeren Körpern. Und wenn sie das tun, entsteht dabei neuer Staub. Staub, der sich unter Umständen beobachten lässt.
Um herauszufinden, wie sich der Staub bei der Entstehung erdähnlicher Planeten (das heißt Planeten mit ungefähr der gleichen Größe und Masse der Erde) verhält, haben Leinhardt und ihre Kollegen den ganzen Prozess am Computer simuliert. Das ist nicht ganz so einfach, wie eine reine Simulation der Bewegung von Himmelskörpern. Denn hier müssen auch die Kollisionen und ihr Ergebnis berücksichtigt werden. Je nachdem mit welcher Geschwindigkeit die Planetesimale kollidieren und welche Größe und Masse sie haben, entstehen am Ende dabei mehr oder weniger große Objekte und mehr oder weniger Staub.
Die Simulation von Leinhardt und ihren Kollegen begann mit einem Ring aus Planetesimalen der sich in einem Abstand von 0,5 bis 1,5 Astronomischen Einheiten um einen sonnenähnlichen Stern erstreckt. Eine Astronomische Einheit entspricht dem mittleren Abstand der Erde von der Sonne und der Ring aus Planetesimalen würde sich also in unser Sonnensystem versetzt in etwa zwischen den Bahnen von Venus und Mars befinden. Die Gesamtmasse aller Planetesimale im Ring beträgt 2,8 Erdmassen und ihre Größe ist entsprechend den üblichen Modellen der Planetenentstehung verteilt.
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