Seth Jacobson von der Michigan State University und Kollegen in China und Frankreich haben eine neue Theorie enthüllt, die helfen könnte, das galaktische Rätsel zu lösen, wie sich unser Sonnensystem entwickelt hat. Insbesondere, wie sind die Gasriesen – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – dort gelandet, wo sie sind und die Sonne umkreisen, wie sie es tun?
Die Forschung hat auch Auswirkungen darauf, wie terrestrische Planeten wie die Erde entstanden sind, und die Möglichkeit, dass ein fünfter Gasriese 80 Milliarden Kilometer entfernt lauert.
„Unser Sonnensystem hat nicht immer so ausgesehen wie heute. Im Laufe seiner Geschichte haben sich die Umlaufbahnen der Planeten radikal verändert“, sagte Jacobson, Assistenzprofessor am Fachbereich Erd- und Umweltwissenschaften des College of Natural Science. „Aber wir können herausfinden, was passiert ist.“
Die Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Natur am 27. April, bietet eine Erklärung dafür, was mit Gasriesen in anderen Sonnensystemen und in unserem geschehen ist.
Es ist ein schönes Modell
Sterne entstehen aus massiven, wirbelnden Wolken aus kosmischem Gas und Staub. Als sich unsere Sonne entzündete, war das frühe Sonnensystem immer noch mit einer ursprünglichen Gasscheibe gefüllt, die eine wesentliche Rolle bei der Entstehung und Entwicklung der Planeten, einschließlich der Gasriesen, spielte.
Ende des 20. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler zu glauben, dass die Gasriesen die Sonne zunächst in sauberen, kompakten und gleichmäßig verteilten Bahnen umkreisten. Jupiter, Saturn und die anderen haben sich jedoch längst auf relativ länglichen, schiefen und ausgebreiteten Bahnen eingependelt.
Die Frage für Forscher lautet nun also: „Warum?“
Im Jahr 2005 schlug ein internationales Team von Wissenschaftlern in einem Trio von Meilensteinen eine Antwort auf diese Frage vor Natur Papiere. Die Lösung wurde ursprünglich in Nizza, Frankreich, entwickelt und ist als Nizza-Modell bekannt. Es postuliert, dass es zwischen diesen Planeten eine Instabilität gab, eine chaotische Reihe von Gravitationswechselwirkungen, die sie letztendlich auf ihre gegenwärtigen Bahnen brachten.
„Dies war eine tektonische Verschiebung in der Art und Weise, wie die Menschen über das frühe Sonnensystem dachten“, sagte Jacobson.
Das Nice-Modell bleibt eine führende Erklärung, aber in den letzten 17 Jahren haben Wissenschaftler neue Fragen gefunden, die sich fragen lassen, was die Instabilität des Nice-Modells auslöst.
Zum Beispiel wurde ursprünglich angenommen, dass die Instabilität des Gasriesen Hunderte von Millionen Jahren nach der Auflösung dieser ursprünglichen Gasscheibe stattfand, die das Sonnensystem hervorbrachte. Aber neuere Beweise, darunter einige, die in Mondgestein gefunden wurden, das von den Apollo-Missionen gefunden wurde, deuten darauf hin, dass es schneller passiert ist. Das wirft auch neue Fragen darüber auf, wie sich das innere Sonnensystem, das die Erde beherbergt, entwickelt hat.
In Zusammenarbeit mit Beibei Liu von der Universität Zhejiang in China und Sean Raymond von der Universität Bordeaux in Frankreich hat Jacobson geholfen, eine Lösung zu finden, die damit zu tun hat, wie die Instabilität begann. Das Team hat einen neuen Auslöser vorgeschlagen.
„Ich denke, unsere neue Idee könnte viele Spannungen auf diesem Gebiet wirklich entspannen, denn was wir vorgeschlagen haben, ist eine sehr natürliche Antwort darauf, wann die Instabilität des Riesenplaneten aufgetreten ist“, sagte Jacobson.
Der neue Auslöser
Die Idee begann mit einem Gespräch zwischen Raymond und Jacobsen im Jahr 2019. Sie stellten die Theorie auf, dass die Gasriesen aufgrund der Verdunstung der ursprünglichen Gasscheibe auf ihre gegenwärtige Bahn gebracht worden sein könnten. Das könnte erklären, wie sich die Planeten in der Evolution des Sonnensystems viel früher ausbreiteten, als das Nizza-Modell ursprünglich postulierte, und vielleicht sogar ohne die Instabilität, um sie dorthin zu schieben.
„Wir haben uns gefragt, ob das Modell von Nizza wirklich notwendig ist, um das Sonnensystem zu erklären“, sagte Raymond. „Wir kamen auf die Idee, dass sich die Riesenplaneten möglicherweise durch einen ‚Rückprall‘-Effekt ausbreiten könnten, wenn sich die Scheibe auflöst, vielleicht ohne jemals instabil zu werden.“
Raymond und Jacobsen wandten sich dann an Liu, der diese Idee des Rückpralleffekts durch umfangreiche Simulationen von Gasscheiben und großen Exoplaneten – Planeten in anderen Sonnensystemen – die nahe um ihre Sterne kreisen, entwickelt hat.
„Die Situation in unserem Sonnensystem ist etwas anders, weil Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun auf breiteren Umlaufbahnen verteilt sind“, sagte Liu. „Nach einigen Wiederholungen von Brainstorming-Sitzungen wurde uns klar, dass das Problem gelöst werden könnte, wenn sich die Gasscheibe von innen nach außen auflösen würde.“
Das Team stellte fest, dass diese Dissipation von innen nach außen einen natürlichen Auslöser für die Instabilität des Nizza-Modells darstellte, sagte Raymond.
„Am Ende haben wir das Modell von Nizza gestärkt, anstatt es zu zerstören“, sagte er. „Dies war eine lustige Illustration, wie wir unsere vorgefassten Ideen testen und den Ergebnissen folgen, wohin sie auch führen.“
Mit dem neuen Trigger sieht das Bild zu Beginn der Instabilität gleich aus. Es gibt immer noch eine aufgehende Sonne, die von einer Wolke aus Gas und Staub umgeben ist. Eine Handvoll junger Gasriesen kreisen in sauberen, kompakten Bahnen durch diese Wolke um den Stern.
„Alle Sonnensysteme entstehen in einer Scheibe aus Gas und Staub. Das ist ein natürliches Nebenprodukt der Sternentstehung“, sagte Jacobson. „Aber wenn die Sonne angeht und beginnt, ihren Kernbrennstoff zu verbrennen, erzeugt sie Sonnenlicht, heizt die Scheibe auf und bläst sie schließlich von innen nach außen weg.“
Dadurch entstand ein wachsendes Loch in der Gaswolke, das auf der Sonne zentriert war. Als das Loch wuchs, fegte seine Kante durch die Umlaufbahnen der Gasriesen. Dieser Übergang führt nach den Computersimulationen des Teams mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zu der erforderlichen Instabilität des Riesenplaneten. Der Prozess des Verschiebens dieser großen Planeten in ihre aktuellen Umlaufbahnen bewegt sich auch schnell im Vergleich zu der ursprünglichen Zeitlinie des Nizza-Modells von Hunderten von Millionen Jahren.
„Die Instabilität tritt früh auf, als sich die gasförmige Scheibe der Sonne auflöste, beschränkt auf einige Millionen Jahre bis 10 Millionen Jahre nach der Geburt des Sonnensystems“, sagte Liu.
Der neue Auslöser führt auch zur Vermischung von Material aus dem äußeren Sonnensystem und dem inneren Sonnensystem. Die Geochemie der Erde legt nahe, dass eine solche Vermischung stattfinden musste, während sich unser Planet noch mitten in der Entstehung befindet.
„Dieser Prozess wird das innere Sonnensystem wirklich aufwühlen und die Erde kann daraus wachsen“, sagte Jacobson. „Das stimmt ziemlich mit Beobachtungen überein.“ Die Erforschung des Zusammenhangs zwischen der Instabilität und der Entstehung der Erde ist ein Thema zukünftiger Arbeiten der Gruppe.
Diese Animation zeigt die Ergebnisse einer Simulation, die zeigt, wie das Sonnensystem durch eine verdampfende Staub- und Gaswolke neu angeordnet worden sein könnte. Der innere Rand dieser Wolke, dargestellt als vertikale graue Linie, beginnt in der Nähe der Sonne (ganz links) und zieht sich durch die Umlaufbahnen von Jupiter, Saturn, einem hypothetischen fünften Gasriesen, Uranus und Neptun. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Liu et al.
Schließlich gilt die neue Erklärung des Teams auch für andere Sonnensysteme in unserer Galaxie, wo Wissenschaftler Gasriesen beobachtet haben, die ihre Sterne in Konfigurationen umkreisen, wie wir sie in unserem eigenen sehen.
„Wir sind nur ein Beispiel für ein Sonnensystem in unserer Galaxie“, sagte Jacobson. „Was wir zeigen, ist, dass die Instabilität auf eine andere Weise aufgetreten ist, eine, die universeller und konsistenter ist.“
Planet 9 aus dem Weltall
Obwohl das Papier des Teams dies nicht betont, sagte Jacobson, dass die Arbeit Auswirkungen auf eine der beliebtesten und gelegentlich hitzigen Debatten über unser Sonnensystem hat: Wie viele Planeten hat es?
Derzeit lautet die Antwort acht, aber es stellt sich heraus, dass das Nizza-Modell etwas besser funktionierte, als das frühe Sonnensystem fünf statt vier Gasriesen hatte. Leider wurde dieser zusätzliche Planet laut Modell während der Instabilität mit einem Hammer aus unserem Sonnensystem geschleudert, was den verbleibenden Gasriesen hilft, ihre Umlaufbahnen zu finden.
Im Jahr 2015 fanden Caltech-Forscher jedoch Beweise dafür, dass es möglicherweise noch einen unentdeckten Planeten am Rande des Sonnensystems gibt, der etwa 80 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt ist, etwa 47 Milliarden Kilometer weiter entfernt als Neptun.
Es gibt immer noch keinen konkreten Beweis dafür, dass dieser hypothetische Planet – Spitzname Planet X oder Planet 9 – oder der „zusätzliche“ Planet des Nizza-Modells tatsächlich existiert. Aber wenn sie es tun, könnten sie ein und dasselbe sein?
Jacobson und seine Kollegen konnten diese Frage mit ihren Simulationen nicht direkt beantworten, aber sie konnten das Nächstbeste tun. Da sie wissen, dass ihr Instabilitätsauslöser das aktuelle Bild unseres Sonnensystems korrekt wiedergibt, könnten sie testen, ob ihr Modell mit vier oder fünf Gasriesen besser funktioniert.
„Für uns war das Ergebnis sehr ähnlich, wenn Sie mit vier oder fünf beginnen“, sagte Jacobson. „Wenn du mit fünf anfängst, landest du eher bei vier. Aber wenn du mit vier anfängst, passen die Bahnen am Ende besser zusammen.“
So oder so sollte die Menschheit bald eine Antwort haben. Das Vera-Rubin-Observatorium, das Ende 2023 in Betrieb gehen soll, sollte in der Lage sein, Planet 9 zu erkennen, wenn er dort draußen ist.
„Planet 9 ist super umstritten, also haben wir es in der Zeitung nicht betont“, sagte Jacobson, „aber wir sprechen gerne mit der Öffentlichkeit darüber.“
Es ist eine Erinnerung daran, dass unser Sonnensystem ein dynamischer Ort ist, der immer noch voller Geheimnisse und Entdeckungen ist, die darauf warten, gemacht zu werden.
Beibei Liu et al., Instabilität des frühen Sonnensystems, ausgelöst durch die Ausbreitung der Gasscheibe, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04535-1