Der Sonnennebel und die protoplanetare Scheibe

Alles begann mit dem gravitativen Kollaps einer riesigen Gas- und Staubwolke — eines Sonnennebels —, vermutlich ausgelöst durch die Schockwelle einer nahen Supernova. Beim Kollabieren konzentrierte sich die Materie im Zentrum und formte die junge Sonne, während sich der Rest unter dem Einfluss der Rotation zu einer protoplanetaren Scheibe abflachte, einer Gas- und Staubscheibe, die den entstehenden Stern umkreiste.

Das Eröffnungsbild dieser Seite, aufgenommen vom Radioteleskop-Netzwerk ALMA rund um den jungen Stern HL Tauri, zeigt genau dieses Stadium: konzentrische Ringe, die in die Scheibe eingegraben sind, wahrscheinlich von Planeten in Entstehung, die auf ihrer Bahn Materie aufsammeln — eine direkte Fotografie eines Prozesses, den man sich für unser eigenes, seit Milliarden Jahren verschwundenes System nur vorstellen kann.

Die Planetenakkretion

Innerhalb dieser Scheibe begannen mikroskopisch kleine Staubkörner, sich durch aufeinanderfolgende Kollisionen zusammenzuballen, ein Prozess namens Akkretion: erst zu größeren Körnern, dann zu Kieseln, zu Felsbrocken und schließlich zu mehrere Kilometer großen Körpern, den sogenannten Planetesimalen. Die größten Planetesimale zogen dank ihrer wachsenden Schwerkraft anschließend ihre kleineren Nachbarn an und absorbierten sie, wodurch sie nach und nach zu Planeten heranwuchsen.

Dieser Prozess erklärt, warum die sonnennahen Planeten, wo nur Gesteins- und Metallmaterial fest bleiben konnte, klein und dicht wurden, während jene, die sich jenseits der Frostgrenze bildeten, gewaltige Hüllen aus Gas und Eis anhäufen konnten und so zu den Riesen wurden, die Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind.

1992 von Hubble im Orionnebel entdeckt, etwa 1.350 Lichtjahre von der Erde entfernt, zeigen diese fünf als „Proplyds" (Kurzform von protoplanetary disks) bezeichneten Scheiben Systeme in unterschiedlichen Entstehungsstadien, jedes mit einem jungen Stern, umgeben von seiner Gas- und Staubscheibe — genau die Art von Umgebung, in der sich unsere eigene Sonne und ihre Planeten vor 4,6 Milliarden Jahren gebildet haben. Anders als die ruhige Scheibe von HL Tauri oben auf dieser Seite baden diese Proplyds im intensiven Ultraviolettstrahlen benachbarter massereicher Sterne, die ihre Scheiben nach und nach erodieren und zu langen, an Kometen erinnernden Schweifen formen.

Der Orionnebel, eine der nächstgelegenen und meistuntersuchten Sternentstehungsgebiete der Milchstraße, beherbergt mehrere Hundert bislang erfasste Proplyds — und liefert Astronomen damit eine wertvolle statistische Stichprobe, um zu verstehen, wie schnell und unter welchen Bedingungen sich protoplanetare Scheiben auflösen, eine wesentliche Angabe, um abzuschätzen, wie viel Zeit für die Planetenentstehung bleibt, bevor die Materie der Scheibe weggefegt oder absorbiert wird.

Das Große Bombardement

Etwa 500 bis 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems soll eine Periode namens Großes Bombardement die Zahl der Asteroiden- und Kometeneinschläge auf den inneren Planeten und Monden stark ansteigen lassen haben, vermutlich verursacht durch eine Umordnung der Umlaufbahnen von Jupiter und Saturn, die einen Teil des Asteroidengürtels und entfernterer Regionen destabilisiert hätte.

Diese Periode, deren tatsächliche Intensität unter Fachleuten weiterhin diskutiert wird, hat ihre sichtbarste Spur auf dem Mond hinterlassen, dessen kraterübersäte Oberfläche sich seither praktisch nicht mehr verändert hat — ein fossiler Zeuge dieser gewaltsamen Phase der Geschichte des Sonnensystems, das sich inzwischen in dem relativ stabilen Gleichgewicht eingerichtet hat, das wir heute noch beobachten.

Planeten, die gewandert sind

Moderne Modelle zur Entstehung des Sonnensystems, wie das sogenannte Nizza-Modell oder das der „großen Kehrtwende" (Grand Tack), legen nahe, dass sich die Riesenplaneten nicht genau an dem Ort gebildet haben, den sie heute einnehmen. Insbesondere Jupiter soll ins innere Sonnensystem gewandert und dann wieder nach außen gezogen sein, getrieben von einer vorübergehenden Bahnresonanz mit Saturn — eine Hin-und-her-Bewegung, die die für die Bildung des Mars verfügbare Masse begrenzt haben könnte, was erklärt, warum er deutlich kleiner geblieben ist als die Erde oder die Venus.

Diese Planetenwanderungen sollen auch einen Großteil der Asteroiden und eisigen Objekte durcheinandergebracht haben, wobei manche ins innere System geschleudert und andere an den Rand des Sonnensystems hinausgeworfen wurden — eine plausible Erklärung für den Ursprung des Großen Bombardements und für die heutige, eher zerstreute als homogene Struktur des Asteroidengürtels.

Ein System, das sich weiter entwickelt

Das Sonnensystem ist alles andere als ein starrer Mechanismus: Die Planetenbahnen unterliegen über Millionen von Jahren winzigen chaotischen Schwankungen, die mit immer präziseren numerischen Simulationen untersucht werden, ohne dass man seinen exakten Zustand über einige Dutzend Millionen Jahre hinaus mit absoluter Sicherheit vorhersagen könnte. Manche Modelle sprechen über extrem lange Zeitskalen sogar von einer geringen, aber nicht verschwindenden Wahrscheinlichkeit einer Bahninstabilität zwischen Merkur und den anderen inneren Planeten.

Auf noch viel längere Sicht wird die Umwandlung der Sonne in einen Roten Riesen in etwa 5 Milliarden Jahren die heutige Ordnung des Systems endgültig durcheinanderbringen — und in etwa 4,5 Milliarden Jahren wird die vorhergesagte Kollision zwischen der Milchstraße und der Andromedagalaxie die Karten auf einer Ebene neu mischen, die weit über das Sonnensystem selbst hinausgeht.