Unser frühes Sonnensystem hatte eine Lücke zwischen seinen beiden Regionen, wie Studienergebnisse zeigen

Unser frühes Sonnensystem hatte eine Lücke zwischen seinem inneren und äußeren Bereich, obwohl es nur eine wirbelnde Masse aus Gas und Staub war, zeigt eine neue Studie.

Die mysteriöse Lücke, die als „kosmische Grenze“ bezeichnet wird, existierte vor etwa 4,567 Milliarden Jahren, als sich das Sonnensystem gerade erst gebildet hatte.

Es wuchs und bildete die heutige Lücke zwischen Mars und Jupiter, die den inneren und den äußeren Planeten trennte.

Die Studie wurde von Experten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt, basierend auf der Analyse alter Meteoriten – Fragmente von Asteroiden, die aus dem Weltraum auf die Erde gefallen sind.

Die Forscher wissen nicht genau, was die Lücke verursacht hat, aber sie könnte durch einen jungen Jupiter oder einen auftauchenden Wind aus dem Sonnensystem verursacht worden sein.

Es ist bereits bekannt, dass die ersten vier Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars) das innere Sonnensystem bilden, während die letzten vier (Jupiter, Saturn, Neptun und Uranus) das äußere Sonnensystem bilden.

Derzeit beträgt die Trennlücke zwischen Mars und Jupiter, wo der Asteroidengürtel liegt, 3,68 astronomische Einheiten (342,24 Millionen Meilen).

Aber dies ist nicht einmal die größte Lücke zwischen zwei benachbarten Planeten – der größte durchschnittliche Abstand zwischen zwei Planeten liegt heute zwischen Uranus und Neptun bei 10,88 Astronomischen Einheiten (AE), was 1,01 Milliarden Meilen entspricht.

Die Autoren dieser neuen Studie können die Größe der historischen Lücke, die lediglich ein Loch in der protoplanetaren Scheibe war, nicht bestimmen, aber sie wäre viel kleiner gewesen als sie jetzt ist.

Die protoplanetare Scheibe, eine wirbelnde Masse aus Staub und Gas, drehte sich um die Sonne und verschmolz schließlich zu den Planeten, die wir heute kennen.

Diese physische Trennung von der Lücke könnte die Zusammensetzung der Planeten des Sonnensystems beeinflusst haben, indem sie die Wechselwirkung von Material auf beiden Seiten davon verhindert hat.

Auf der Innenseite der Lücke beispielsweise verschmolzen Gas und Staub zu terrestrischen Planeten, einschließlich der Erde und des Mars, während Gas und Staub auf die andere Seite der Lücke zurückfielen, die sich in eisigeren Regionen als Jupiter und seine benachbarten Gasriesen bildeten.

„Es ist ziemlich schwer, diese Lücke zu überwinden, und ein Planet würde viel externes Drehmoment und Schwung benötigen“, sagt Hauptautor und EAPS-Absolvent Cauê Borlina.

“Dies liefert also den Beweis, dass die Entstehung unserer Planeten im frühen Sonnensystem auf bestimmte Regionen beschränkt war.”

Die Ursache einer solchen Lücke in unserem eigenen Sonnensystem bleibt ein Rätsel, aber eine Möglichkeit besteht darin, dass Jupiter einen Einfluss gehabt haben könnte.

Als der Gasriese Gestalt annahm, hätte seine immense Anziehungskraft Gas und Staub in die Außenbezirke getrieben und eine Lücke in der sich entwickelnden Scheibe hinterlassen.

“In den letzten zehn Jahren haben Beobachtungen gezeigt, dass Hohlräume, Lücken und Ringe in Scheiben um andere junge Sterne üblich sind”, sagte Benjamin Weiss, Professor für Planetenwissenschaften am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT.

“Dies sind wichtige, aber kaum verstandene Signaturen der physikalischen Prozesse, durch die sich Gas und Staub in die junge Sonne und Planeten verwandeln.”

Eine andere Erklärung für die historische Lücke könnte mit Winden zu tun haben, die von der Oberfläche der protoplanetaren Scheibe ausgehen.

Frühe Planetensysteme werden von starken Magnetfeldern beherrscht. Wenn diese Felder mit einer rotierenden Gas- und Staubscheibe interagieren, können sie Winde erzeugen, die stark genug sind, um Material herauszublasen und eine Lücke in der Scheibe zu hinterlassen.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler eine merkwürdige Spaltung in der Zusammensetzung der Meteoriten beobachtet, die ihren Weg zur Erde gefunden haben.

Diese Weltraumfelsen bildeten sich ursprünglich zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten, als das Sonnensystem Gestalt annahm.

Diejenigen, die analysiert wurden, weisen eine von zwei Isotopenkombinationen auf – entweder nicht kohlenstoffhaltig oder kohlenstoffhaltig.

Aber selten wurden Meteoriten gefunden, die beides aufweisen – ein Rätsel, das als „Isotopen-Dichotomie“ bekannt ist.

Zuvor haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass diese Dichotomie das Ergebnis einer Lücke in der Scheibe des frühen Sonnensystems sein könnte, aber eine solche Lücke wurde nicht direkt bestätigt.

Wenn ein junges Planetensystem Gestalt annimmt, trägt es ein Magnetfeld mit sich, dessen Stärke und Richtung sich abhängig von verschiedenen Prozessen innerhalb der sich entwickelnden Scheibe ändern können.

Als sich uralter Staub zu Körnern ansammelte, die als Chondren bekannt sind, richteten sich Elektronen in den Chondren nach dem Magnetfeld aus, in dem sie sich bildeten.

Chondrulen, die heute in Meteoriten gefunden werden, können kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares sein, aber sie können auch ziemlich groß sein.

Die Gruppe von Professor Weiss analysiert Meteoriten auf Anzeichen alter Magnetfelder. Aber es ist auf die Messung von Chondren spezialisiert, um die alten Magnetfelder zu identifizieren, in denen sie sich ursprünglich gebildet haben.

In früheren Arbeiten analysierte die Gruppe Proben von einer der beiden Isotopengruppen von Meteoriten, die als nicht kohlenstoffhaltige Meteoriten bekannt sind.

Es wird angenommen, dass diese Gesteine ​​aus einem “Reservoir” oder einer Region des frühen Sonnensystems stammen, die relativ nahe an der Sonne liegt.

Die Gruppe von Professor Weiss hat das uralte Magnetfeld zuvor anhand von Proben aus dieser nahen Region identifiziert.

In ihrer neuen Studie fragten sich die Forscher, ob das Magnetfeld in der zweiten isotopischen, „kohlenstoffhaltigen“ Gruppe von Meteoriten gleich sein würde.

Aufgrund ihrer Isotopenzusammensetzung wird angenommen, dass kohlenstoffhaltige Meteoriten weiter draußen im Sonnensystem entstanden sind.

Sie analysierten Chondren, die jeweils etwa 100 Mikrometer groß sind, von zwei kohlenstoffhaltigen Meteoriten, die in der Antarktis entdeckt wurden.

Mit dem supraleitenden Quanteninterferenzgerät oder SQUID, einem hochpräzisen Mikroskop in Weiss’ Labor, bestimmte das Team das ursprüngliche, uralte Magnetfeld jeder Chondrule.

Überraschenderweise stellten sie fest, dass ihre Feldstärke stärker war als die der zuvor gemessenen, nicht kohlenstoffhaltigen Meteoriten.

Während junge Planetensysteme Gestalt annehmen, erwarten Wissenschaftler, dass die Stärke des Magnetfelds mit der Entfernung von der Sonne abnimmt.

Im Gegensatz dazu fanden die Forscher heraus, dass die weit entfernten Chondren ein stärkeres Magnetfeld von etwa 100 Mikrotesla hatten, verglichen mit einem Feld von 50 Mikrotesla in den näheren Chondren.

Als Referenz beträgt das Magnetfeld der Erde heute etwa 50 Mikrotesla.

Das Magnetfeld eines Planetensystems ist ein Maß für seine Akkretionsrate oder die Menge an Gas und Staub, die es im Laufe der Zeit in sein Zentrum ziehen kann.

Basierend auf dem Magnetfeld der kohlenstoffhaltigen Chondren muss die äußere Region des Sonnensystems viel mehr Masse angesammelt haben als die innere Region.

Anhand von Modellen zur Simulation verschiedener Szenarien kam das Team zu dem Schluss, dass die wahrscheinlichste Erklärung für die Nichtübereinstimmung der Akkretionsraten die Existenz einer Lücke zwischen den inneren und äußeren Regionen ist, die die Menge an Gas und Staub reduziert haben könnte, die von der Sonne zur Sonne strömt äußeren Regionen.

“Lücken sind in protoplanetaren Systemen üblich, und wir zeigen jetzt, dass wir eine in unserem eigenen Sonnensystem hatten”, sagte Borlina.

“Dies gibt die Antwort auf diese seltsame Dichotomie, die wir bei Meteoriten sehen, und liefert Beweise dafür, dass Lücken die Zusammensetzung von Planeten beeinflussen.”

Die neue Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.