Zwischen den Bahnen von Mars und Jupiter befinden sich abertausende Gesteinsbrocken, die sich in einem breiten Gürtel um die Sonne legen. Allerdings nicht ganz einheitlich: Mehrere Lücken durchziehen das "Geröllfeld". Was ist die Ursache?
Zwischen den Planeten Mars und Jupiter ziehen Gesteinbrocken in unterschiedlichen Formen und Größen ihre Bahnen um die Sonne. Ihre Größe variiert von wenigen Zentimetern bis hin zu 950 Kilometer. Vermutlich sind es Überbleibsel aus der Bauphase des Sonnensystems, die sich nicht zu einem Planeten vereinten. Würde man sie alle zu einem Himmelskörper zusammenfassen, so hätte dieser nur eine Masse von einem Drittel unseres Erdmonds.
Modelldarstellung des Asteroidengürtels | Der Asteroidengürtel liegt zwischen Mars und Jupiter. Die Größe der Planeten und Asteroiden in diesem Bild ist stark übertrieben dargestellt.
Doch die Entstehungsgeschichte ist längst nicht das einzige Geheimnis des Asteroidengürtels. So verteilen sich die kleinen Himmelskörper nicht gleichmäßig über diesen Bereich des Sonnensystems. In bestimmten Abständen zur Sonne zeigen sich Lücken im Asteroidengürtel, die so genannten Kirkwood-Lücken. Es handelt sich um instabile Zonen, in denen sich über längere Zeiträume hinweg keine Himmelskörper halten können. Schuld daran sind die Schwerkrafteinflüsse der beiden Riesenplaneten Jupiter und Saturn, welche zunächst für chaotische Umlaufbahnen und schließlich meist für einen Rauswurf der Himmelskörper aus diesen Bereichen sorgen.
Asteroidenverteilung mit Kirkwood-Lücken | Verteilung der Bahnhalbachsen der Asteroiden im Hauptgürtel: Die Pfeile markieren Entfernungen, in denen sich Objekte in einer Bahnresonanz mit Jupiter befinden, wobei die erste Ziffer die Zahl der Asteroidenumläufe angibt.
Das ist dann der Fall, wenn die Umlaufzeiten von Jupiter und den kleineren Himmelskörpern in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, beispielsweise sieben Umläufe eines Asteroiden entsprechen drei Umläufen des Gasriesen. Der Fachmann spricht dann von einer 7:3-Resonanz. Der US-amerikanische Astronom Daniel Kirkwood (1814 – 1895) stieß im Jahr 1866 als Erster auf dieses Phänomen.
Damals kannte man noch nicht einmal hundert Asteroiden im Hauptgürtel, inzwischen sind mehr als 400 000 Himmelskörper in dieser Region erfasst. Die Astronomen David Minton und Renu Malhotra untersuchten nun die Bahnparameter der 690 größten Asteroidenfamilien unter ihnen.
Zudem erstellten sie eine Simulation, welche die Entwicklungsgeschichte des Asteroidengürtels nachspielt. Dafür nahmen die beiden Wissenschaftler eine gleichmäßige Anfangsverteilung der Asteroiden in den stabilen Regionen an und ließen über vier Milliarden virtuelle Jahre die störenden Einflüsse von Jupiter Saturn – alle hatten bereits ihre jetzigen Bahnen eingenommen – wirken.
Der Vergleich zwischen Modell und Wirklichkeit offenbarte die bekannten Kirkwoodlücken, aber auch eine kleine Überraschung: Am inneren Rand des Hauptgürtels sowie an den äußeren Kanten einiger Lücken – die ja eigentlich stabil sein sollten – befinden sich in der Realität weniger Asteroiden als in der Simulation. Minton und Malhotra machen dafür Bahnveränderungen von Jupiter und Saturn in der Frühzeit des Sonnensystems vor rund vier Milliarden Jahren verantwortlich.
Der Asteroidengürtel in der Übersicht | Der Asteroidengürtel liegt zwischen Mars und Jupiter. Auf der Jupiterumlaufbahn, in zwei unterschiedlichen Regionen vor und hinter Jupiter, befinden sich die so genannten Trojaner-Asteroiden.
Erst als die Forscher diese Umstände in ihre Simulation einbezogen, stimmte sie mit den Beobachtungen überein. In der Tat vermuten viele Astronomen, dass die Riesenplaneten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – seit ihrer Entstehung ihre Bahnen entweder nach innen oder nach außen verlagerten. Möglich wurden diese Bahnveränderungen, indem sich den Gasriesen massereiche Planetesimale, also Asteroiden und eishaltige Himmelskörper, stark annnäherten. Diese führten den Gasriesen entweder Drehmoment zu oder raubten etwas davon.
Mit Hilfe ihres Computermodells könnten die beiden Wissenschaftler sogar Aussagen über den Verlauf der Wandergeschwindigkeiten treffen, denn weitere Analysen der Bahnparameter könnten viel über die Migration der Planeten hervorbringen. Fest steht für Minton und Malhotra aber schon jetzt, dass die wandernden Gasriesen den Asteroidengürtel beträchtlich leerten, als sich die jeweiligen Resonanzen durch ihn hindurchzogen: Die wechselnden Umlaufbahnen destabilisierten jeweils andere Regionen im Asteroidengürtel.
Diese Geschehnisse gingen womöglich einher mit dem späten heftigen Bombardement (der Fachbegriff lautet "late heavy bombardment"), das vor rund vier Milliarden Jahren stattfand: Innerhalb von nur etwa Hundert Millionen Jahren schlugen im inneren Sonnensystem Tausende an Objekten auf den Oberflächen der Planeten Mars, Erde und Mond, Venus und Merkur ein.
Die Einschlagnarben dieser Geschosse finden sich im inneren Sonnensystem überall – besonders deutlich auf Mars, Merkur oder Mond, da diese Himmelskörper schon seit langer Zeit kaum noch geologisch aktiv sind. Auf der Erde verwischten Plattentektonik und Erosion durch Wind und flüssiges Wasser die Spuren des späten schweren Bombardement, auf der Venus löschte die starke vulkanische Aktivität die Spuren der Urzeit aus.
Die Arbeit von Minton und Malhotra liefert damit einen weiteren Beleg für die Planetenmigration und ihre Folgen. Wie die Geschichte tatsächlich verlief, kann aber bis heute noch keiner mit Bestimmtheit sagen. Es bedarf wohl noch vieler weiterer Simulationen und nicht zuletzt Beobachtungen, um den Abläufen im frühen Sonnensystem auf die Schliche zu kommen.
Maike Pollmann
Die Originalarbeit "Minton D. A., Malhotra, R.: A record of planet migration in the main asteroid belt" ist erschienen in: Nature 457, S. 1109 – 1111, 2009
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