Planetenentstehung: Aus Trümmern geboren

Die Geschichte der Planetenentstehung ist bisher nur unvollständig verstanden. Eine Computersimulation über ihre Entwicklung aus Gas- und Staubscheiben schließt nun zumindest eine der Lücken.

Protoplanetare Scheibe — © NASA (Ausschnitt)

Schauen wir uns in unserem Sonnensystem um, werden wir vor vollendete Tatsachen gestellt: Acht Planeten, mehrere Zwergplaneten und zahlreiche andere Gesteinsbrocken umkreisen die Sonne in kleiner oder großer Distanz. Die Suche nach den Ursprüngen des Sonnensystems gestaltet sich so alles andere als einfach. Als Beweisstücke aus den Anfängen dienen den Wissenschaftlern etwa Meteoriten. Sie liefern bereits eine Menge Anhaltspunkte, doch gerade die frühen Phasen der Geschichte bereiten noch Probleme.

Weitere Hinweise suchen die Forscher in fremden Welten. Ein Blick in die Kinderstube von fernen Sternen zeigt die jungen Gestirne meist umgeben von einer rotierenden flachen Schicht aus Gas und Staub, der so genannten zirkumstellaren Scheibe, deren Masse nur einen Bruchteil von der des Sterns ausmacht. Nach etwa sechs bis zehn Millionen Jahren verschwindet dieser Staub – ein Zeichen für die Planetenbildung?

In der Sackgasse

Ein mögliches Szenario aus den bisher gesammelten Indizien zeigt eher das Gegenteil. Demnach stießen die Staubpartikel in der Scheibe vermutlich aneinander und verklumpten immer mehr, bis sie einige Meter maßen. Die Brocken waren allerdings zu groß, um aneinander zu haften und zerstörten sich so beim Aufprall selbst. Zerstückelt, abgelenkt und durch das Gas abgebremst, trudelten sie dann spiralförmig umher. Innerhalb weniger Jahrhunderte stürzten sie schließlich in die Sonne – bevor sich Planeten hätten bilden können. So kann es offensichtlich nicht ablaufen.

Geburt in der Urwolke | Der Ausschnitt der zirkumstellaren Scheibe zeigt, dass sich an der hellen Stelle so viel Materie ansammelt, dass ein lokaler Kollaps einsetzt. Diese Verdichtung bleibt in der turbulenten Strömung stabil und fängt mit der Zeit immer mehr Materie aus der Scheibe ein. Schließlich bildet sich ein Miniplanet, der später mit vielen anderen zusammenstößt und einen großen Planeten bildet.

Astronomen um Anders Johansen vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie haben nun in einer Simulation berechnet, wie ein junges Sonnensystem trotzdem auf die Welt kommt. Die alte Theorie würde wieder funktionieren, wenn die kleinen zu kilometergroßen Brocken, so genannten Planetesimalen, zusammenwachsen. Nur so entrinnen sie dem Tod im Sonnenfeuer und können als Baumaterial für größere Körper dienen.

In ihr Modell rechneten die Wissenschaftler alle in der Scheibe auftretenden Kräfte ein und berücksichtigten, wie Staub und Gasteilchen miteinander wechselwirken. So konnten sie dreidimensional verfolgen, wie das Sonnensystem langsam anwächst. Sie fanden heraus, dass Magnetfelder durch die Gasscheibe strömen, bevor diese stellenweise anfängt zu kollabieren und sich Brocken bilden. Ein solcher Kollaps verstärkt die magnetischen Felder in der Simulation zusätzlich, wodurch in der Scheibe Turbulenzen entstehen. Dadurch erhöht sich der Gasdruck in der zirkumstellaren Scheibe lokal.

Gefahr gebannt

Das Gas drückt hier auf den Materiestrom aus einzelnen Brocken und verlangsamt ihn. Dadurch verklumpt die Brockenschicht und staucht sie gleichzeitig zusammen. Der Effekt ähnelt einer Spurverengung auf der Autobahn, durch die sich die Fahrzeuge stauen. Hat sich einmal ein kompakter Brocken in der turbulenten Strömung gebildet, bleibt er stabil. Die Gravitation beginnt nun alle anderen Effekte zu dominieren.

Wenn seine Größe etwa die eines Asteroiden oder Miniplaneten erreicht, kann ihn das Gas nicht länger abbremsen. Die Gefahr, dass der Brocken in den Stern abstürzt, ist also gebannt. "Dieser Wachstumsprozess arbeitet erstaunlich effektiv", berichten die Forscher, "er ist bereits nach etwa hundert Jahren abgeschlossen."

Neue Welten | Rund um junge Sterne im Orionnebel (M42), dem auffälligsten Sternentstehungsgebiet, konnte das Hubble Teleskop dunkle Scheiben festhalten, sogenannte protoplanetare Scheiben. Sie bestehen zu 99 Prozent aus Gas und nur zu einem Prozent aus Staub. Die Sterne im Zentrum sind nur jeweils etwa eine Million Jahre alt. Aus dem Staub der Scheiben könnten sich eines Tages neue Planeten bilden.

Nun steht dem Wachstum bis auf normale Planetengröße nichts mehr im Weg. Diese Planetesimale kollabieren weiter und formen immer festere Körper. Mehrere Millionen von ihnen kreisen dann in der Scheibe. Einige davon vergrößern sich zu Babyplaneten und üben dann eine so große Gravitationskraft aus, dass Gas, Staub und kleinere Brocken um sie herum immer schneller auf sie einstürzen. Dadurch wachsen sie zu echten Planeten heran.

Sie verschlucken restliche Brocken Stück für Stück, und die Scheibe wird fast komplett leergefegt. Nur einzelne Alleingänger überleben diesen Kannibalismus und kreisen als Kometen und Asteroiden durch das Sonnensystem. So lautet zumindest die Theorie in der neuen Simulation. Ob sich die Natur tatsächlich an dieses Drehbuch hält, müssen zukünftige Beobachtungen von neu geborenen Sternsystemen zeigen.