Die chaotische Frühphase des Sonnensystems

Bevor die Erde und andere Planeten entstanden, war die junge Sonne noch von kosmischem Gas und Staub umgeben. Im Laufe der Jahrtausende bildeten sich aus dem Staub Gesteinsbrocken unterschiedlicher Größe. Viele davon wurden zu Bausteinen für die späteren Planeten. Andere wurden nicht Teil eines Planeten und umkreisen noch heute die Sonne, zum Beispiel als Asteroiden im Asteroidengürtel.

Forschende der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team Eisenproben aus den Kernen solcher Asteroiden analysiert, die als Meteoriten auf der Erde gelandet sind. Dabei entschlüsselten sie einen Teil ihrer frühen Geschichte während der Entstehungszeit der Planeten. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.

Zeugen des frühen Sonnensystems

„Frühere wissenschaftliche Studien zeigten, dass Asteroiden im Sonnensystem seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren relativ unverändert geblieben sind“, erklärt Studienleiterin und Forscherin an der ETH Zürich und dem NCCR PlanetS, Alison Hunt. „Sie sind also ein Archiv, in dem die Bedingungen des frühen Sonnensystems konserviert sind“, sagt Hunt.

Doch um dieses Archiv zu erschließen, mussten die Forscher das außerirdische Material gründlich aufbereiten und untersuchen. Das Team entnahm Proben von 18 verschiedenen Eisenmeteoriten, die einst Teil der metallischen Kerne von Asteroiden waren. Für ihre Analyse mussten sie die Proben auflösen, um die Elemente Palladium, Silber und Platin für ihre detaillierte Analyse isolieren zu können. Mit Hilfe eines Massenspektrometers maßen sie die Häufigkeit verschiedener Isotope dieser Elemente. Isotope sind unterschiedliche Atome bestimmter Elemente, in diesem Fall Palladium, Silber und Platin, die alle die gleiche Anzahl von Protonen in ihren Kernen haben, sich aber in der Anzahl von Neutronen unterscheiden.

In den ersten paar Millionen Jahren unseres Sonnensystems wurden die metallischen Asteroidenkerne durch radioaktiven Zerfall von Isotopen erhitzt. Als sie begannen abzukühlen, begann sich ein spezifisches Silberisotop anzusammeln, das durch radioaktiven Zerfall erzeugt wurde. Durch die Messung der heutigen Silberisotopenverhältnisse innerhalb der Eisenmeteorite konnten die Forscher feststellen, wann und wie schnell die Asteroidenkerne abgekühlt waren.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Abkühlung schnell erfolgte und wahrscheinlich auf schwere Kollisionen mit anderen Körpern zurückzuführen war, die den isolierenden Gesteinsmantel der Asteroiden abbrachen und ihre Metallkerne der Kälte des Weltraums aussetzten. Während die schnelle Abkühlung durch frühere Studien auf der Grundlage von Silberisotopenmessungen angezeigt wurde, war der Zeitpunkt unklar geblieben.

„Unsere zusätzlichen Messungen der Platin-Isotopenhäufigkeit ermöglichten es uns, die Silber-Isotopenmessungen um Verzerrungen zu korrigieren, die durch die kosmische Bestrahlung der Proben im Weltraum verursacht wurden. So konnten wir den Zeitpunkt der Kollisionen genauer als je zuvor datieren“, berichtet Hunt. „Und zu unserer Überraschung wurden alle von uns untersuchten Asteroidenkerne fast gleichzeitig freigelegt, innerhalb eines Zeitrahmens von 7,8 bis 11,7 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems“, sagt der Forscher.

Die nahezu gleichzeitigen Kollisionen der verschiedenen Asteroiden zeigten dem Team, dass diese Zeit eine sehr unruhige Phase des Sonnensystems gewesen sein muss. „Damals scheint alles zusammengeprallt zu sein“, sagt Hunt. „Und wir wollten wissen, warum“, fügt sie hinzu.

Vom Labor zum Sonnennebel

Das Team berücksichtigte verschiedene Ursachen, indem es seine Ergebnisse mit denen aus den neuesten, anspruchsvollsten Computersimulationen der Entwicklung des Sonnensystems kombinierte. Zusammen könnten diese Quellen die möglichen Erklärungen eingrenzen.

„Die Theorie, die diese energetische frühe Phase des Sonnensystems am besten erklärte, deutete darauf hin, dass sie hauptsächlich durch die Auflösung des sogenannten Sonnennebels verursacht wurde“, Maria, Mitautorin der Studie, Mitglied des NCCR PlanetS und Professorin für Kosmochemie an der ETH Zürich Schönbächler erklärt. „Dieser Sonnennebel ist der Rest des Gases, der von der kosmischen Wolke übrig geblieben ist, aus der die Sonne geboren wurde. Er umkreiste noch einige Millionen Jahre die junge Sonne, bis er von Sonnenwinden und -strahlung weggeblasen wurde“, so Schönbächler sagt

Während der Nebel noch in der Nähe war, verlangsamte er die Objekte, die darin die Sonne umkreisten – ähnlich wie der Luftwiderstand ein fahrendes Auto verlangsamt. Nachdem der Nebel verschwunden war, so vermuten die Forscher, erlaubte der fehlende Gaswiderstand den Asteroiden, zu beschleunigen und miteinander zu kollidieren – wie Autoscooter, die in den Turbomodus geschaltet wurden.

„Unsere Arbeit zeigt, wie Verbesserungen der Labormesstechniken es uns ermöglichen, Schlüsselprozesse abzuleiten, die im frühen Sonnensystem stattfanden – wie die wahrscheinliche Zeit, zu der der Sonnennebel verschwunden war. Planeten wie die Erde befanden sich noch im Entstehungsprozess Das kann uns letztlich dabei helfen, besser zu verstehen, wie unsere eigenen Planeten entstanden sind, aber auch Einblicke in andere außerhalb unseres Sonnensystems geben“, so Schönbächler abschließend.