Voraussetzungen der Entstehung des Sonnensystems und der Erde (und des Lebens) Hans Zinnecker Astrophysikalisches Institut Potsdam Bonn 02. 12. 2002

1. Was ist das Sonnensystem? Was sind seine Besonderheiten?   die meiste Masse in der Sonne, 0,1% in den Planeten 1% der Gesamtmasse als schwere Elemente (wichtig) neun Planeten, grosse Vielfalt, fast Kreisbahnen alle in einer Ebene (koplanar), gleichsinniger Umlauf wenig Drehimpuls in der Sonne, 200 mal mehr in den Planeten (Jupiter) innen terrestrische Planeten (Eisenkern/Silikatkruste), aussen Gasriesen Alter des Systems: halb so alt wie die Milchstrasse (4,6 Mrd. Jahre)

2. Wie könnte das Sonnensystem entstanden sein? von den ersten Ideen bis zur modernen Computer-Simulation   erste Ideen: Kant (1755), Laplace (1796) rotierende Gaswolke (Urnebel)  Irrwege: Chamberlin & Moulton 1905, Jeans & Jeffreys 1917 Planeten aus Sonnenmaterial durch Gezeiten-Sternbegegnungen Wiederbelebung von Kant/Laplace Theorie: von Weizsäcker (1948), Lüst (1952) Beginn moderner Beobachtungen: IR-Exzess, Staubkontinuum bei jungen Sternen Staub-Gas Verhältnis ca. 1%, Ursprung des Sternen-Staubs?

2. Wie könnte das Sonnensystem entstanden sein? von den ersten Ideen bis zur modernen Computer-Simulation direkte Bilder: Silhouetten-Scheiben im Orion-Sternhaufen (face-on disks)   isolierte edge-on Scheiben (Staubband, Streulicht, HH30 Disk/Jet System) Computer-Simulationen: Kollaps einer Gas/Staubwolke zu Proto-Stern mit Scheibe (H.W. Yorke) Entwicklung eines Protosternhaufens (M. Bate)

3. Die Entstehung der Planeten, der Erde und des Lebens   Radial konzentrische Entstehungszonen der Planeten Stoffzusammensetzung hängt ab vom Sonnenabstand (fest/flüchtig) Staubwachstum zu Planetesimalen (1km) grav. Instabilität der Staubschicht, Gasreibung Planetesimale kollidieren, runaway Wachstum zu Planetoiden (1000 km) Planetoiden wachsen “oligarchisch“, stören sich gegenseitig gravitativ, Planetoiden wachsen durch gegenseitige Stöße oder durch Aufsammeln der Planetesimale (siehe Einschlagkrater), Hill-Einflusszonen

3. Die Entstehung der Planeten, der Erde und des Lebens   feste Kruste, Differenzierung (Eisenkern), Wasser im Erdinnern, Ausgasen nach Aufheizung durch Asteroiden/Kometen Bombardement 600 Mill. Jahre lang, danach Abklingen der Einschläge: erstes Leben vor 2.5 Milliarden Jahren: rapide Sauerstoffzunahme, Eukaryonten vor 600.000 Jahren: Supereiszeit, danach kambrische Explosion: Tiere die Erde im Vergleich zu Mars und Venus (Vereisung, Treibhaus-Effekt) enge habitale Zone (Wasser flüssig, Tripelpunkt; Plattentektonik, ...)

4. Ist das Sonnensystem einzigartig? Wahrscheinlich nicht.   viele junge Sterne mit Scheiben seit 1990 entdeckt... Silhouetten-Scheiben im Orion-Sternhaufen: Proto-Sonnensysteme? extrasolare Planeten seit 1995 gefunden (sog. hot Jupiters) noch kein 2. Sonnensystem gesehen, schwierig (Kontrast Planet - Stern) dennoch Zuversicht: Interferometrische Methoden (VLTI, ALMA, TPF, DARWIN) weitere Methoden: Mikrolinseneffekt, Planetenbedeckung

5. Ist die Erde einzigartig? Wahrscheinlich ja: günstige Kombination.   flüssiges Wasser, Land, Plattentektonik, Vulkanismus, Magnetfeld Schiefe der Ekliptik, Jahreszeiten, Gezeiten, Mond, Atmosphäre Entwicklung höheres Leben (erst nach langer Zeit, ca. 4 Mrd. Jahre) UV Schutz durch Ozon, stabiler Treibhauseffekt (40 Grad mehr) Erde: 45% Sauerstoff (Mg, Si, Fe Oxide), relativ wenig Wasser (0,1%)

5. Ist die Erde einzigartig? Wahrscheinlich ja: günstige Kombination.   Spuren von Kohlenstoff und Wasserstoff, auch Phosphor (DNA) Vorgeschichte der Erde: Sauerstoffentwicklung Atmosphäre, Eiszeiten Diversität vs. Konvergenz, Schneeball Erde (Ozeane alle gefroren) Massensterben durch Asteroideneinschlag vor 65 Millionen Jahren... Bäume, Pflanzen, Blumen, denkende Menschen

6. Astrobiologie: neues interdisziplinäres Feld   Astronomie, Biologie, Paläontologie, Ozeanographie, Mikrobiologie, Geologie, Genetik; Suche nach Bedingungen des Lebens im Universum Baum des Lebens (3 Domänen, 5 Reiche): älteste gemeinsame Gene...

anthropisches Prinzip: Kopernikanisches Prinzip: Ausblick   anthropisches Prinzip: a) schwaches : atomare Konstanten genau richtig für unsere Existenz b) starkes: Universum ist so angelegt, dass es Menschen geben muss... Kopernikanisches Prinzip: wir sind nichts Besonderes (Raum, Zeit) oder doch? ("Hypothese der einsamen Erde")

Voraussetzungen der Entstehung der Erde   Supernovae bilden schwere Elemente  schwere Elemente bilden Staubkörner  Molekülbildung auf Staub, UV-Abschirmung, kalte Wolken, Kollaps  Anfangsbedingung beim Wolkenkollpas: nicht zu große, nicht zu kleine Masse (Masse bedingt Lebensdauer)  nicht zu schnelle (sonst Doppelstern), nicht zu langsame Rotation (sonst keine ausgedehnte Scheibe, notwendig für Planetenbildung)  Staub mit fraktaler Struktur, Körner haften bei Zusammenstoß, aber geschwindigkeitsabhängig (Koagulation und Fragmentation)

Voraussetzungen der Entstehung der Erde   erdähnlicher Planet (Masse, Größe, Eisenkern, Kruste, Atmosphäre) Plattentektonik (warum?) Radioaktivität (Vulkanismus, der nicht zu schnell ausstirbt) Erd-Magnetfeld (schirmt kosmische Strahlung ab, rettet Atmosphäre) flüssiges Wasser, aber nicht zu viel Wasser, sonst kein Land

der Entstehung der Erde Voraussetzungen der Entstehung der Erde   Sauerstoff (Energiespender des Lebens), Ozonschicht (Schutz vor UV-Strahlung) Kohlenstoff als Spurenelement (Großteil in CO gebunden, sonst CO2) stabiler Treibhauseffekt (Regelkreis durch Karbonatsilikatverwitterung) Verteilung der Land- und Wassermasse (Albedo, Klima) sichere galaktische Umgebung (keine allzu nahe Supernova)

der Entstehung der Erde Voraussetzungen der Entstehung der Erde   richtiger Abstand vom Zentralgestirn (richtige Temperatur) nicht zu hohe Temperatur (sonst chem. Bindungen instabil) Einzelstern, kein Doppelstern (Strahlungsmenge konstant) Lebensdauer des Zentralgestirns (d.h. kleine Sternmasse, 1M) Existenz des Mondes und/oder des Jupiter (Asteroiden, Kometen)??

Ich bedanke mich für Ihr Interesse und wünsche Ihnen einen angenehmen Heimweg

„Und sie bewegt sich doch!“ Christoph Scheiner 1573 – 1650 Philosoph, Theologe, Mathematiker, Astronom 1610 – 1617 Professor für Mathematik in Ingolstadt 1611 erste anonyme Publikationen über die Entdeckung der Sonnenflecken 1630 „Rosa Ursina“ Entdeckungen: - Sonnenflecken - diff. Rotation der Sonne - Rotationsachse der Sonne Galileo Galilei 1564 – 1642 Mediziner, Physiker, Mathematiker, Astronom 1589 Professor für Mathematik in Florenz 1604 Fallgesetze 1608 Flugbahn Geschosse 1612 Antwortschreiben Galileis an M. Welser 1610 „Sidereus Nuncius“ Entdeckungen: - Sonnenflecken - Mondkrater - Jupitermonde Bau und Benutzung von Linsenteleskopen Prioritätsstreit über die Entdeckung der Sonnenflecken