Sternengeschichten Folge 326: Protoplanetare Scheiben und die Entstehung von Planeten

Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video.

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Sternengeschichten Folge 326: Protoplanetare Scheiben und die Entstehung von Planeten

Eine protoplanetare Scheibe ist das, aus dem Planeten entstehen. Das erklärt natürlich noch nicht viel. Aber irgendwo muss man anfangen und wir fangen heute mit einem Stern an, der gerade erst entstanden ist. Ein Stern entsteht aus einer großen Wolke voll Gas und Staub und nicht all dieses Material wird bei der Entstehung des Sterns aufgebraucht. Es bleibt also noch ein wenig übrig und das sammelt sich in Form einer Scheibe um den jungen Stern. Und hier stellt sich gleich die erste Frage: Warum eine Scheibe? Dass sich Zeug, das einfach so irgendwie im Weltall befindet, in Form einer formlosen Wolke ansammelt, ist nachvollziehbar. Aber wie wird aus der Wolke eine Scheibe.

Künstlerische Darstellung eines jungen Sterns mit dem Zeug, aus dem später (oder früher!) Planeten werden (ESO/L. Calçada)

Das liegt an der Bewegung. Stellen wir uns einen Stern vor, der von einer Wolke aus Gas und Staub umgeben ist. Jedes Stück Materie in der Wolke bewegt sich um den Stern herum und es tut das vorerst irgendwie. Das bedeutet, dass das Material den Stern auf allen möglichen Bahnen umkreist, nicht nur in einer Ebene. Wenn man all die einzelnen Bewegungen aber gesammelt betrachtet, dann GIBT es zumindest theoretisch eine Ebene, die quasi den Schwerpunkt der Bewegung darstellt. So eine Ebene kann man immer rein mathematisch berechnen, auch wenn sie im Moment noch nicht tatsächlich irgendwie sichtbar ist. Diese Ebene kann man nun als Bezugsebene für die Betrachtung der Bewegung der einzelnen Teilchen darstellen. Diese Teilchen bewegen sich einerseits um den Stern herum; auf ihren Bahnen werden sie sich aber auch über und unter der Ebene befinden. Insgesamt werden sich die Teilchen genau so oft über der Ebene befinden wie darunter und sie daher auch immer wieder kreuzen müssen. Die Teilchen werden auch immer wieder miteinander zusammenstoßen; werden einander ablenken und so weiter. All das führt dazu, dass Energie zwischen den Teilchen ausgetauscht wird. Die Energie kann nicht verschwinden und auch die Bewegung kann nicht einfach aufhören. Denn, wie ich in Folge 283 der Sternengeschichten ausführlich erklärt habe, der Drehimpuls, also quasi das Ausmaß der Drehbewegung selbst muss erhalten bleiben. Die Bewegung der Teilchen UM den Stern herum kann nicht verschwinden. Aber wenn die Teilchen bei Kollisionen Energie verlieren, führt das dazu, dass der Anteil ihrer Bewegung verringert wird, der sie über und unter die Bezugsebene führt. Je länger man wartet, desto geringer wird der Anteil der Auf- und Ab-Bewegung, desto flacher wird die Wolke und desto schneller rotieren die Teilchen um den Stern herum. Am Ende kriegt man eine flache Scheibe aus Gas und Staub die den jungen Stern umgibt.

So eine Scheibe hat anfangs ungefähr typischerweise ein Zehntel der Masse des Sterns den sie umgibt. Und mit dieser Masse passieren interessante Dinge. Zum größten Teil besteht die Scheibe anfänglich aus Gas, hauptsächlich aus Wasserstoff- und Heliumatomen, also dem gleichen Material aus dem auch der Stern selbst besteht. Was ja nicht verwunderlich ist, denn die Scheibe ist ja das, was bei der Sternentstehung übrig geblieben ist, also genau das gleiche Material aus dem auch der Stern entstanden ist. Dann gibt es noch Staub und mit “Staub” ist nicht das gemeint, was bei uns zu Hause unter dem Sofa rumliegt. Sondern diverse Moleküle und Verbindungen schwerere Atome, die einen kleinen Teil der ursprünglichen Gaswolke ausgemacht haben. Wasser zum Beispiel, denn Sauerstoff ist ein Element das von Sternen recht häufig bei Kernfusion erzeugt wird und dann, wenn diese Sterne am Ende ihres Lebens explodieren, überall im Universum verteilt wird und auch in den Wolken landet, aus denen neue Sterne und protoplanetare Scheiben entstehen. Sauerstoff und Wasserstoff, der ja sowieso immer da ist, ergibt Wasser und deswegen ist Wasser ein recht häufiges Molekül im Universum. Man darf sich da jetzt aber keine riesigen Wasserblasen vorstellen, die durch den Kosmos wabern. Es handelt sich um einzelne Molkeüle, die in der protoplanetaren Scheibe verteilt herum schwirren, zusammen mit jeder Menge anderer Atome und Moleküle.

Ganz nah am Stern ist es allerdings schwierig für die Atome. Die starke Strahlung des Sterns schiebt die einzelnen Atome regelrecht davon und ihre hohe Energie kann Verbindungen von Atome wieder aufspalten. Dort gibt es also eine Lücke, in der sich kein Material befindet. Weiter draußen, aber immer noch nah am Stern, ist die Strahlung immer noch stark und so stark, dass sich die leichten und schnellen Gasatome nur schwer zu größeren Verbindungen zusammenfinden können. Das gelingt nur dem Staub, der im Laufe der Zeit zu immer größeren Staubteilchen anwächst. Weiter draußen, wo es kühler ist, passiert das auch. Dort können sich nun aber auch die leicht flüchtigen Gasatome zu größeren Strukturen verbinden; neben dem Staub entstehen also auch noch Eiskörnchen.

Der Stern HL Tauri und seine Scheibe im Teleskop: Hier entstehen gerade Planeten!
Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Darüber, wie es nun weiter geht, ist man sich noch nicht ganz sicher. Auf jeden Fall können die Staubteilchen weiter anwachsen. Wenn sie miteinander kollidieren, bleiben sie aneinander haften und werden immer größer. Wenn sie irgendwann größer als ein paar Zentimeter sind; also zu Brocken von ein paar Metern angewachsen sind, ist nun auch die Gravitationskraft ihrer Masse stark genug, um relevante Mengen an Material aus der Umgebung anzuziehen, so dass sie noch weiter wachsen können. Das geht natürlich um so besser und schneller, je mehr Material in der Nähe ist. Ich habe in Folge 67 der Sternengeschichten schon ein wenig von der “Schneelinie” gesprochen, also der Grenze, hinter der neben dem Staub auch noch Eis existieren kann. Dort ist mehr Zeug für die Planetenentstehung vorhanden und die Objekte können schneller anwachsen. Man geht davon aus, dass sie das auch tun und wenn sie schnell genug groß genug werden, dann ist ihre Gravitationskraft irgendwann so stark, dass diese jungen Planeten – denn genau um das handelt es sich mittlerweile – auch das noch vorhandene Gas an sich binden können. Das macht sie noch massereicher und es fällt ihnen noch leichter, Material einzusammeln.

Nahe des Sterns ist das nicht so einfach. Hier gibt es weniger Material für den Bau von Planeten und die Planeten wachsen langsamer. Sie werden auch nicht massereich genug, um das Gas, von dem es hier auch weniger gibt, einzusammeln und vor allem auch festzuhalten. Die leichten Wasserstoff- und Heliumatome bewegen sich zu schnell und können nicht dauerhaft an einen Planeten in dieser Gegend gebunden werden. In einer Protoplanetaren Scheibe entstehen also in der Nähe des Sterns eher kleinere Planeten; weiter entfernt, hinter der Schneelinie, können sich dagegen große Planeten bilden, die enorm viel Gas enthalten. Genau das ist das Bild, das sich bei uns im Sonnensystem zeigt. Zuerst kommen ein paar kleine Planeten – Merkur, Venus, Erde und Mars und dann die Gasriesen Jupiter und Saturn. Die Schneelinie verläuft bei uns tatsächlich zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter. Weiter hinten im Sonnensystem gibt es dann wieder kleinere Planeten, denn hier bewegen sich die Teilchen in der protoplanetaren Scheibe nicht mehr schnell genug um die Sonne herum, um ausreichend oft miteinander zu kollidieren.

Aber auch wenn das alles sehr überzeugend klingt, gibt es noch viel, was wir nicht wissen und nicht alles muss so laufen, wie es vermutlich hier im Sonnensystem gelaufen ist. Der Sternwind hat beispielsweise großen Einfluss auf die Scheibe. Neben der Strahlung, die Gas und Staub beeinflusst, ist da auch noch das ganze Material das der Stern selbst ständig ins All hinaus schleudert. Diese Teilchen werden durch die hochenergetischen Prozesse in den äußeren Schichten eines Sterns stark beschleunigt und hinaus ins All geschleudert. Je nachdem wie stark der Sternwind ist, kann der Stern mehr oder weniger Material einer protoplanetaren Scheibe in den interstellaren Raum pusten. Ist zu wenig von der Scheibe übrig, entstehen überhaupt keine Planeten mehr. Wir wissen auch noch nicht genau, wie aus dem Staub und dem Gas tatsächlich die größeren Objekte entstehen, die später die Planeten bilden. Irgendwie muss das passieren, aber die Modelle die wir bis jetzt haben erklären das noch nicht ausreichend gut. In diesen Modellen dauert es oft viel zu lange, bis aus den kleinen Staubteilchen größere Brocken werden. Viel länger als 10 Millionen Jahre, obwohl wir aus Beobachtungen wissen, dass kaum eine protoplanetare Scheibe länger als 10 Millionen Jahre existiert und die Planeten, wenn sie entstehen, dann schon entstanden sind.

Unsere Teleskope sind mittlerweile gut genug geworden, dass wir die protoplanetaren Scheiben anderer Sterne beobachten können. Das ist wichtig, denn wir können ja nicht live bei der Entstehung zusehen. Beziehungsweise können wir das schon – aber wir können nicht so lange zusehen, bis aus einer Scheibe Planeten geworden sind, weil das – wie gerade erwähnt – ein paar Millionen Jahre dauert. Wir müssen also Sterne und Scheiben in verschiedenen Entwicklungsstadien suchen und uns daraus ein Bild des kompletten Ablaufs zusammenbasteln. In der Zwischenzeit können wir in den Labors der experimentellen Astronomie direkt untersuchen wie sich Staub unter verschiedenen Bedingungen verhält und besser verstehen, was er da genau macht, wenn er einen jungen Stern umkreist.

Planeten können theoretisch übrigens auch anders entstehen. Anstatt aus kleinen Staubteilchen immer größer zu wachsen, kann der Prozess quasi auch von der anderen Richtung aus funktionieren. Als der Stern selbst aus der ursprünglichen Gaswolke entstanden ist, lief das ja auch nicht so ab, dass Wasserstoffatom für Wasserstoffatome miteinander kollidiert sind, bis irgendwann genug auf einem Haufen waren um einen Stern zu bilden. Hier ist die gesamte Wolke unter ihrem eigenen Gewicht in sich zusammengefallen und immer dichter geworden, bis am Ende ein heißer Stern daraus geworden war. Genau das kann aber auch in der protoplanetaren Scheibe passieren. Innerhalb der Scheibe können sich Regionen bilden, in denen ein wenig mehr Gas und Staub ist als anderswo. Wenn die Masse solcher Klumpen eine gewisse Grenzmasse überschreitet, dann können auch sie unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren. Normalerweise bewegen sich die Teilchen ja zu schnell dafür; sie sausen so flott um den Stern herum, dass sie quasi schneller sind als die Gravitationskraft, die sie zusammenhalten will. Es braucht schon direkte Kollisionen zwischen ihnen, um sie zusammen zu zwingen. Wenn sich aber solche Verdichtungen bilden die die Grenzmasse überschreiten, reicht die Gravitationskraft aus und Teile der Scheibe können in sich zusammenfallen und direkt Planeten bilden. Das geht dann relativ schnell und die Entstehung eines Planeten kann schon nach etwa 1000 Jahren abgeschlossen sein. Allerdings funktioniert dieser Prozess nur für große Gasplaneten, so etwas kleines wie etwa die Erde kriegt man damit nicht hin. Da reicht die Masse nicht, um einen Kollaps auszulösen.

Der Stern HD 100546 und seine Scheibe, aufgenommen mit dem Hubble-Teleskop. Der orangene Punkt markiert einen entstehenden Planeten. (Bild: ESO/NASA/ESA/Ardila et al.)

Ob und wo die Verklumpungen in einer protoplanetaren Scheibe auftreten, die diesen schnellen Prozess der Planetenentstehung auslösen, ist ebenfalls noch nicht ganz klar. Wenn der Stern und damit auch die Scheibe ausreichend viel Masse hat, wird sie von selbst irgendwann instabil und es bilden sich Klumpen. Bei masseärmeren Sternen wie unserer Sonne geschieht das aber vermutlich nicht automatisch. Hier müsste man den Kollaps der Scheibe von außen anstoßen; zum Beispiel durch eine Supernova die in der Nähe der Sonne losgeht und die Scheibe ein wenig durchrüttelt. Natürlich können auch beide Arten der Planetenentstehung gleichzeitig ablaufen. Nah am Stern können kleine Planeten durch das langsame Wachstum kleiner Staubteilchen entstehen; weiter draußen könnten Instabilitäten große Gasplaneten bilden.

So oder so. Irgendwann ist die Scheibe weg. Der Strahlungsdruck und der Sternwind haben den ganzen Kleinkram aus dem System gefegt; die größeren Brocken sind miteinander kollidiert und haben Planeten und Asteroiden gebildet. Nach ein paar Millionen Jahre ist alles sauber – zumindest für kurze Zeit. Denn natürlich produzieren Himmelskörper immer wieder neuen Staub nach. Aber das ist eine andere Geschichte…