Astrophysiker entwickeln Modell zur Erklärung der schnellen Planetenentstehung

Unser Sonnensystem ist unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft. 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.

Doch wie gut kennen wir unsere Heimat wirklich? Bisherige Theorien gingen davon aus, dass Riesenplaneten durch Kollisionen und Ansammlungen asteroidenähnlicher Himmelskörper, sogenannter Planetesimale, und der anschließenden Ansammlung von Gas im Laufe von Millionen von Jahren entstehen. Diese Modelle erklären allerdings weder die Existenz von Gasriesen, die sich weit von ihren Sternen entfernt befinden, noch die Entstehung von Uranus und Neptun.

Vom Staubkorn zum Riesenplaneten

Astrophysiker der LMU, des ORIGINS-Clusters und des MPS haben erstmals ein Modell entwickelt, das alle notwendigen physikalischen Prozesse berücksichtigt, die bei der Planetenentstehung eine Rolle spielen. Mit diesem Modell zeigen sie, dass ringförmige Störungen in protoplanetaren Scheiben, sogenannten Substrukturen, die schnelle Bildung mehrerer Gasriesen auslösen können.

Die Ergebnisse der Studie stimmen mit den neuesten Beobachtungen überein und deuten darauf hin, dass die Entstehung von Riesenplaneten effizienter und schneller erfolgen könnte als bisher angenommen. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Astronomie & Astrophysik.

Mit ihrem Modell zeigen die Forscher, wie sich millimetergroße Staubpartikel aerodynamisch in der turbulenten Gasscheibe ansammeln und wie diese anfängliche Störung in der Scheibe den Staub einfängt und verhindert, dass er in Richtung des Sterns verschwindet. Diese Ansammlung macht das Wachstum von Planeten sehr effizient, da plötzlich viel „Baumaterial“ auf kompaktem Raum vorhanden ist und die richtigen Bedingungen für die Planetenentstehung vorliegen.

„Wenn ein Planet groß genug wird, um die Gasscheibe zu beeinflussen, führt das 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 – wie ein Schäferhund seine Herde – in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn.“

Der Prozess beginnt von neuem, von innen nach außen, und es kann ein weiterer Riesenplanet entstehen. „Das ist das erste Mal, dass eine Simulation den Prozess nachgezeichnet hat, bei dem aus feinem Staub Riesenplaneten entstehen“, sagt Tommy Chi Ho Lau, Erstautor der Studie und Doktorand an der LMU.

Vielfalt der Gasriesen in unserem und anderen Sonnensystemen

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: Die Erde ist etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, was 1 AE entspricht.

Die Studie zeigt, dass in anderen Planetensystemen eine Störung den Prozess in viel größeren Entfernungen in Gang setzen könnte und immer noch sehr schnell ablaufen würde. Solche Systeme wurden in den letzten Jahren häufig vom Radioobservatorium ALMA beobachtet, das in jungen Scheiben in einer Entfernung von mehr als 200 AE Gasriesen gefunden hat. Das Modell erklärt aber auch, warum unser Sonnensystem nach Neptun offenbar keine weiteren Planeten mehr bildete: Das Baumaterial war schlicht aufgebraucht.

Die Ergebnisse der Studie decken sich mit aktuellen Beobachtungen junger Planetensysteme, die ausgeprägte Substrukturen in ihren Scheiben aufweisen. Diese Substrukturen spielen bei der Planetenentstehung eine entscheidende Rolle. Die Studie deutet darauf hin, dass die Entstehung von Riesenplaneten und Gasriesen effizienter und schneller verläuft als bisher angenommen.

Diese neuen Erkenntnisse könnten unser Verständnis von der Entstehung und Entwicklung der Riesenplaneten unseres Sonnensystems verfeinern und die Vielfalt der beobachteten Planetensysteme erklären.