In den Anfangsjahren des Sonnensystems wichen die noch entstehenden Riesenplaneten aus, machten ein Do-si-do und schwangen dann einen ihrer Partner aus dem Gravitationsbereich der Sonne. Die Dinge beruhigten sich, und unser Planetensystem befand sich in seiner endgültigen Konfiguration.
Was diesen planetaren Shuffle ausgelöst hat, ist unbekannt. Nun deuten Computersimulationen darauf hin, dass die heiße Strahlung der jungen Sonne, die ihre planetenbildende Scheibe aus Gas und Staub verdampft, zur Störung der Umlaufbahnen der Riesenplaneten geführt hat, berichten Forscher am 28. April Natur.
Infolgedessen könnten die vier größten Planeten innerhalb von 10 Millionen Jahren nach der Geburt des Sonnensystems vor etwa 4,6 Milliarden Jahren in ihrer endgültigen Konfiguration gewesen sein. Das ist viel schneller als die 500 Millionen Jahre, die frühere Arbeiten vorgeschlagen hatten.
Der Planeten-Shuffling-Mechanismus, den das Team in den Computersimulationen aufgedeckt hat, ist sehr innovativ, sagt Nelson Ndugu, ein Astrophysiker, der die Bildung von Planetensystemen an der North-West University in Potchefstroom, Südafrika, und der Muni University in Arua, Uganda, untersucht. “Es hat ein riesiges Potenzial.”
Jede Menge Beweise, einschließlich Beobachtungen von extrasolaren Planetensystemen, die sich bilden (SN: 2.7.18), hatte bereits darauf hingewiesen, dass etwas in der frühen Geschichte unseres Sonnensystems die Umlaufbahnen der Riesenplaneten durcheinander gebracht hat, was Wissenschaftler die Riesenplaneteninstabilität nennen (SN: 25.05.05).
„Die Beweise für die Instabilität des Riesenplaneten sind wirklich robust“, sagt Seth Jacobson, ein Planetenwissenschaftler an der Michigan State University in East Lansing. „Es erklärt viele Merkmale des äußeren Sonnensystems“, sagt er, wie die große Anzahl von felsigen Objekten jenseits von Neptun, die den Kuipergürtel bilden (SN: 31.12.09).
Um herauszufinden, was diese Instabilität auslöste, führten Jacobson und Kollegen Computersimulationen der Tausenden von Möglichkeiten durch, wie sich das frühe Sonnensystem entwickelt haben könnte. Alles begann mit einem jungen Stern und einer planetenbildenden Scheibe aus Gas und Staub, die den Stern umgab. Das Team änderte dann die Parameter der Scheibe, wie Masse, Dichte und Geschwindigkeit der Entwicklung.
Die Simulationen umfassten auch die noch entstehenden Riesenplaneten – genau genommen fünf von ihnen. Astronomen glauben, dass neben Uranus und Neptun ein dritter Eisriese ursprünglich ein Mitglied des Sonnensystems war (SN: 20.04.12). Jupiter und Saturn runden die endgültige Liste dieser massiven Planeten ab.
Als die Sonne offiziell ein Stern wurde, das heißt in dem Moment, in dem sie begann, Wasserstoff in ihrem Kern zu verbrennen – vor etwa 4,6 Milliarden Jahren –, hätte ihre ultraviolette Emission das Gas der Scheibe getroffen, es ionisiert und auf Zehntausende von Grad erhitzt. „Das ist ein sehr gut dokumentierter Prozess“, sagt Jacobson. Wenn sich das Gas erwärmt, dehnt es sich aus und fließt vom Stern weg, beginnend mit dem inneren Teil der Scheibe.
„Die Scheibe verteilt ihr Gas von innen nach außen“, sagt Beibei Liu, Astrophysiker an der Zhejiang-Universität in Hangzhou, China. Er und Jacobson arbeiteten bei der neuen Forschung mit dem Astronomen Sean Raymond vom Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux in Frankreich zusammen.
In den Simulationen des Teams verliert dieser Bereich an Masse, wenn sich der innere Teil der Scheibe auflöst, sodass die eingebetteten, sich noch bildenden Planeten weniger Schwerkraft aus dieser Region spüren, sagt Jacobson. Aber die Planeten spüren immer noch die gleiche Anziehungskraft von der äußeren Region der Scheibe. Dieses gravitative Drehmoment, wie das Team es nennt, kann einen Rebound-Effekt auslösen: „Ursprünglich wandern die Planeten ein, und sie erreichen die [inner] Rand dieser Scheibe, und sie machen ihre Migration rückgängig“, sagt Liu.
Aufgrund der großen Masse des Jupiters ist er größtenteils unbeeinflusst. Saturn bewegt sich jedoch nach außen und in die Region, die in den Simulationen die drei Eisriesenplaneten enthält. Dieses Gebiet wird überfüllt, sagt Liu, und es folgen enge planetarische Wechselwirkungen. Ein Eisriese wird vollständig aus dem Sonnensystem geschleudert, Uranus und Neptun bewegen sich etwas weiter von der Sonne weg und „sie bilden nach und nach Umlaufbahnen nahe der Konfiguration unseres Sonnensystems“, sagt Liu.
In ihren Computersimulationen stellten die Forscher fest, dass es fast immer zu einer planetarischen Neuordnung kommt, wenn die Sonnenstrahlung die Scheibe verdunstet. „Wir können diese Instabilität nicht vermeiden“, sagt Jacobson.
Nachdem die Forscher nun eine Vorstellung davon haben, was diese Verschiebung des Sonnensystems verursacht haben könnte, besteht der nächste Schritt darin, zu simulieren, wie sich die Verdunstung der Scheibe auf andere Objekte auswirken könnte.
„Wir haben uns sehr stark auf die Riesenplaneten konzentriert, weil ihre Umlaufbahnen die ursprüngliche Motivation waren“, sagt Jacobson. „Aber jetzt müssen wir die Nacharbeit leisten, um zu zeigen, wie dieser Auslösemechanismus mit den kleinen Körpern zusammenhängt.“