Deuten die Lücken in protoplanetaren Scheiben wirklich auf neu entstehende Planeten hin?

Vor etwa 5 Milliarden Jahren befand sich die Erde im Entstehungsprozess. Gas und Staub sammelten sich in der protoplanetaren Scheibe der jungen Sonne, wahrscheinlich ein wenig durch die resonante Anziehungskraft von Jupiter und anderen großen Welten bewegt. Man kann sich vorstellen, dass die Erde bei ihrer Entstehung ihre Umlaufbahn von Trümmern befreite und eine Lücke in der Scheibe hinterließ, die aus Lichtjahren Entfernung sichtbar war. Obwohl wir wissen, dass diese Geschichte einigermaßen zutreffend ist, trifft die Vorstellung, dass Planeten wie die Erde immer Lücken in einer protoplanetaren Scheibe schließen, wahrscheinlich nicht zu.

Jahrzehntelang wurde die Idee, dass sich Planeten aus den Trümmern junger Sterne bilden, durch niedrigaufgelöste Bilder von Scheiben um Sterne wie Fomault gestützt. Das Gas und der Staub, die junge Sterne umgeben, sind oft kalt und schwach, was die Untersuchung erschwert. Aber fortschrittliche Radioteleskope wie ALMA haben inzwischen detaillierte Bilder dieser Scheiben aufgenommen. Viele von ihnen besitzen ringförmige Lücken, die größtenteils frei von Trümmern sind, und einige dieser Lücken enthalten sichtbare Protoplaneten. Daher herrscht allgemeiner Konsens darüber, dass Lücken in einer Scheibe auf die Anwesenheit von Planeten hinweisen, auch wenn wir sie nicht direkt beobachten können. Aber eine neue Studie veröffentlicht in Astronomie und Astrophysik findet, dass die Dinge viel komplizierter sind.

Das Team untersuchte N-Körper-Simulationen früher Scheiben, bei denen drei bis sieben Protoplaneten mit Gas, Staub und Kieselsteinen in der Scheibe interagieren. Ihr Modell ist anspruchsvoll genug, um nicht nur zu untersuchen, wie diese Planeten Materie ansammeln und wachsen, sondern auch, wie die Umlaufbahnen der Planeten durch Gravitationswechselwirkungen wandern können und wie Wechselwirkungen mit der Scheibe die Form einer Umlaufbahn oder ihre Ausrichtung relativ zur Scheibe verändern können . Sie simulierten diese Systeme über einen Zeitraum von 100 Millionen Jahren, was lang genug ist, um zu untersuchen, wie sich die Planeten in stabile Umlaufbahnen einpendeln könnten.

Sie fanden unter anderem heraus, dass innerhalb einer jungen Scheibe fünf bis sieben Protoplaneten schnell instabile Umlaufbahnen entwickeln. In ihren Simulationen löste sich die Stabilität innerhalb von 40.000 Jahren auf, was einem Wimpernschlag eines kosmischen Auges entspricht. Es würde viel länger dauern, bis die Planeten eine Lücke in der Scheibe schließen würden. Das heißt, wenn wir fünf oder mehr Lücken in einer protoplanetaren Scheibe sehen, können diese nicht alle von Planeten geschlossen werden. Es ist möglich, dass die Ringe durch die Umlaufbahnresonanzen eines besonders großen Planeten verursacht werden, ähnlich wie Jupiter die Planetenbildung im Asteroidengürtel verhindert hat.

Eine weitere Entdeckung war, dass die Umlaufbahnen der Planeten dramatisch wandern und sich verschieben können, was es ihnen wiederum nicht ermöglichen würde, ihre Umlaufbahn freizumachen. Vor allem kleinere Welten verbringen wahrscheinlich ihre Anfangszeit damit, sich auf chaotische Weise durch die Scheibe zu bewegen. Unsere junge Erde ist während ihrer Entstehung wahrscheinlich erheblich gewandert und verbrachte die meiste Zeit verborgen zwischen Gas und Staub, anstatt in einer Lücke sichtbar zu sein. Das bedeutet, dass wir die Entstehung erdähnlicher Welten in einer protoplanetaren Scheibe oft nicht beobachten können, da wir sie im Gesamtlicht der Scheibe nicht erkennen können.

All dies bedeutet, dass wir keinen einfachen Zusammenhang zwischen der Anzahl und Größe der Lücken in frühen Planetenscheiben und der Anzahl und Verteilung von Exoplaneten in entwickelten Sternensystemen herstellen können. Die Planetenentstehung ist ein komplexer Tanz, und obwohl wir einige Schritte kennen, gibt es noch viel zu lernen.