Die Entstehung des Planetensystems

Gliederung Charakteristisches Historischer Überblick über Vorstellung vom Sonnensystem Heutige Vorstellung: Von der Ur-Wolke zum fertigen Planetensystem Eine etwas unbekanntere Theorie: Barnardscher Pfeilstern und Sonne entstanden als Doppelsystem (?) Weitere Besonderheiten des Planetensystems Woher kommt der Staub? Elementsynthese Andere, inzwischen entdeckte Planetensysteme

Beobachtete Eigenarten des Planetensystems - nahezu kreisförmige Bahnen der Planeten um die Sonne - alles etwa in gleicher Ebene - Umläufe und Rotationen fast alle im gleichen Sinn (rechtsläufig) - Rotationsachsen (Drehimpulsvektoren) der Planeten und Satellitensysteme etwa parallel zum Gesamtdrehimpuls - Hauptanteil des Drehimpulses steckt in der Umlaufbewegung der Planeten um die Sonne, Eigendrehimpuls der Sonne: 0,54% des Gesamtdrehimpulses - Masse dagegen größtenteils in der Sonne (99,87%) - Abstandsgesetze der Planeten (Titius- Bodesche Reihe) (später) -Innere Planeten: große Dichte, Metalle, Gesteine, langsame Rotation, kaum Monde -Äußere Planeten: geringe Dichte, chem. wie Sonne, schnelle Rotation, viele Monde

nach Gesetzen der Himmelsmechanik denkbare Bahnen von Planeten um die Sonne -Ellipsenbahnen gegeneinander geneigt -Bahnen in Ebene, aber unterschiedl. Drehsinn -Ebene und gleicher Umlaufsinn

Beobachtete Eigenarten des Planetensystems - nahezu kreisförmige Bahnen der Planeten um die Sonne - alles etwa in gleicher Ebene - Umläufe und Rotationen fast alle im gleichen Sinn (rechtsläufig) - Rotationsachsen (Drehimpulsvektoren) der Planeten und Satellitensysteme etwa parallel zum Gesamtdrehimpuls - Hauptanteil des Drehimpulses steckt in der Umlaufbewegung der Planeten um die Sonne, Eigendrehimpuls der Sonne: 0,54% des Gesamtdrehimpulses - Masse dagegen größtenteils in der Sonne (99,87%) - Abstandsgesetze der Planeten (Titius- Bodesche Reihe) (später) -Innere Planeten: große Dichte, Si, N, O, Fe u. weitere Metalle, Gesteine, langsame Rotation, kaum Monde -Äußere Planeten: geringe Dichte, chem. wie Sonne, schnelle Rotation, viele Monde

Historische Vorstellungen Gängige antike Weltbilder ( z.B. Ptolemäus) Wendepunkt: Kopernikus (Sonne im Zentrum) Kepler (Bewegungsgesetze) Newton (Gravitationsgesetz) Aber wann tauchte zuerst Frage nach der Entstehung auf? Mythologische Entstehungs- und Schöpfungsgeschichten (für Planetensystem interessant und rätselhaft: Sumerer, Abb. links)

In westlicher/europäischer Welt erst im 17.Jhd -Descartes (1632): flache, rotierende Gasscheibe -Kant (1755): Sich selbst überlassene Wolke / Laplace (1796) : rotierende Scheibe -Entdeckungen treiben Entwicklung moderner Theorien ständig voran (Mondoberfläche, Meteoritenzusammensetzung...)

Katastrophentheorien vs. Nebeltheorien Kant: -kugelförm. Urnebel/Wolke aus Staubteilchen u. meteoritenartigen Körpern zieht sich wg. eigener Schwerkraft zusammen -ungeordnete Bewegung, Geschwindigkeitsverlust durch Teilchenstöße, Sonnenbildung in der Mitte - außen zufällige Verdichtungen --> Planeten, diese sammeln restliche Teilchen auf Frage nach gleichem Umlaufsinn der Planeten um die Sonne und einheitlicher Bahnebene bleibt offen

Heutige Vorstellung: Prozesse zur Sonnensystementstehung laufen insgesamt in einigen 100 Mio Jahren ab: -Bildung rotierender Scheibe -chem. Kondensation von Körnchen -Planetoidenbildung durch Gravitation -Planeten- und Satellitenbildung durch Akkretion

Heutige Vorstellung: Urnebel: rotierende Wolke aus Gas und Staub* *vor der eigentlichen Entstehung: Elementsynthese in Supernova(e) (später) Eigenkontraktion: -findet statt auf Grund: turbulenten Bewegungen, Rotation, Magnetfeldern, EIGENGRAVITATION -führt zu: Temperaturerhöhung (wachsende Dichte, mehr Teilchenstöße) -Kontraktion bis: im Inneren Gasdruck = Gravitationsdruck -im Zentralbereich größere Dichte (bedingt durch größere Eigengravitation) -Sternentstehung

Sonnenbildung vermutlich vor 4,6 Mrd Sonnenbildung vermutlich vor 4,6 Mrd. Jahren durch Kollaps einer Gaswolke (links), dabei Temperaturanstieg, Kernfusion setzt ein, Kontraktion stoppt (rechts). Brennmaterial Wasserstoff verbraucht in vielleicht 10 Mrd. Jahren --> Aufblähung zum Roten Riesen schließlich Sonnenkollaps nach einer sich wiederholenden Kontraktions- und Kernfusionsphase --> Sonne wird Weißer Zwerg

-gesamte Wolke erfährt Abplattung kugelsymmetrische Gaskugel wird zur Scheibe -Drehimpuls: bei Kontraktion erhalten, daher schnellere Rotation bei Kontraktion Vermutung: in der Regel entstehen aus Urnebel Binär- oder Mehrfach- Sternsysteme (oben) oder Planetensysteme (unten)

Woher kommt der Drehimpuls der Planeten?

Drehimpulsübertragung auf umgebendes Gas führt zu schnellerer Rotation, Teilchen entfernen sich vom Zentrum Urnebel (ca. 10 Sonnenmassen) rotiert innen rascher als außen -Temperaturgefälle (innen -> außen) -Kondensation zu festen Teilchen (Tröpfchen) -Teilchen klein: Gas führt sie mit -Teilchen etwas größer: Bewegung allein durch Schwerkraft/Fliehkraft bestimmt -Planetenbildung aus granularer Scheibe von Kondensaten -Planetesimale -gebildet aus kondensierten Körnchen -Akkretieren später zu Planeten

-Planetesimale wachsen aus Staubkörnchen zusammen -Bildung immer größerer Objekte durch Fragmentation (bei Kollisionen mit über 40 km/s) und weitere Akkretion durch Gravitation bis hin zu Planetoiden und schließlich Planeten -Reste ursprünglicher Planetesimale sieht man heute als Kometenkerne außerhalb Saturnbahn, daher wertvolle Informationen über dieses Stadium der Planetenentstehung

(zur gleichen Zeit: Kontraktion der Sonne stoppt, Kernzündung) -Leuchtkraft der Sonne viel stärker -Rest-Gas wird weggeblasen (aus heutiger Elementhäufigkeit lässt sich abschätzen, dass ca. 99% des ursprünglichen Gases fort geblasen wurden) -junge Sonne durchlebte wahrscheinlich T-Tauri- Stadium, dabei treten Gasströme von 200...300km/s auf, das liegt um Größenordnungen über heutigem Sonnenwind Erklärung für Unterschiede der inneren und äußeren Planeten: -alle Planeten ursprünglich innen „fest“ und große Gashülle, aber ursprüngliche Gasansammlungen innerer Planeten wurden fort geblasen -äußere Planeten größer (stärkere Eigengravitation) und Sonnenwind wirkt sich weiter außen deutlich schwächer aus als innen, daher Gasansammlungen erhalten Wenn starker Sonnenwind, woher kommen dann Atmosphären?

Hypothesen zur Entstehung der Atmosphären erdähnlicher Planeten: - Akkretion, Atmosphärengase bereits in Staubkörnchen vor Planetesimalbildung enthalten - Gase nach Planetenbildung hydrodynamisch eingefangen - Kometen- und Asteroidenbombardement

Eine etwas unbekanntere Theorie: Barnardscher Pfeilstern und Sonne entstanden als Doppelsystem (?) Besonderheiten des Planetensystems -Titius- Bodesche Reihe (-das Rätsel Erde und Mond, vielleicht nur erwähnen wegen Zeit...) Woher kommt der Staub? Elementsynthese Andere, inzwischen entdeckte Planetensysteme

Ist unser Sonnensystem einst als Doppelsternsystem entstanden? Modell: zwei Wolken, in der ersten entstanden Merkur bis Jupiter, Saturn und Rest in einer weiteren abgeschnürten Wolke Plausible Fakten: mittlere Dichten steigen an zu Massezentren der Wolken (siehe Graphik), steigende Dichte der Planeten je näher sie an Sonne/Zentralgestirn sind

Idee Alfred Fischers entstand aus diversen Beobachtungen bzw. Auswertung vorhandener Daten: -Planetendichten -periodische Temperaturschwankungen auf der Erde (u.a. Eiszeiten) -Kometenbahnen (Olbers, Halley) -Massenschwerpunkt des Gesamtsystems aus Massenverhältnis von Jupiter/Saturn bestimmt Suche nach Fixstern in näherer Umgebung, dessen Bewegung zu beobacht. Periodizitäten passt: Barnardscher Pfeilstern Kosmische Katastrophe trennte beide Systeme -Hypothese wurde an atronomische Institute zur Klärung geschickt, aber anscheinend noch nicht ausgewertet

Titius- Bodesche Reihe Bis heute nicht ganz klar: Zufällige Materialverteilung? „Gesetz“ bei Planetenbildung? Resonanzeffekte der Umlaufzeiten um Sonne (mögl.weitere Planeten evtl. zerstört oder aus Sonnensystem entfernt)

Woher kommt der Mond? a) Abspaltungstheorie (Erde rotierte in 2-3 h, Abplattung, Instabilität am Äquator): damit wäre chem. Zusammensetzung erklärbar, aber Drehimpuls des Systems wäre viel größer b) Einfangtheorie (geringe Wahrscheinlichkeit) c) Schwesterplanet- Theorie: Erde und Mond aus gleicher „Urwolke“ entstanden, damit sind aber die deutlich vorhandenen Unterschiede der chemischen Zusammensetzung nicht erklärbar

d) Aufprall- Theorie Aus Untersuchungen an Erd- und Mondgestein sowie Meteoriten fanden Geowissenschaftler heraus: -Mond besteht zumindest zur Hälfte aus Erdmaterial (Science, 4. Juli 2003) (Material ähnlich, aber Unterschiede im Detail, z.B. viel geringerer Eisen- Gehalt als auf der Erde) -Hypothese: Mond vor 4,53 Milliarden Jahren durch Kollision zwischen Erde und einem Kleinplaneten* entstanden *marsgroßer Planet: Theia Theia identisch mit sumerischem „Nibiru“?

Elementsynthese Fusionsprozesse in Sternen:

Nukleosynthese schwerer Elemente S-Prozess Neutronenabsorption: Bildung instabiler Elemente (genug Zeit für den Beta- Zerfall) bevor ein weiteres Neutron eingefangen wird -> Isobar m. Kernladungszahl +1

r-Prozess: schnelle Anlagerung von Neutronen (Kerne, die reich an Neutronen sind) -während explosiver Phase (Lebensende eines massereichen Sterns) können bei Schockwellen-Explosionen nukleare Fusionen, Fotodisintegration (Fotospaltung) und schneller Neutroneneinfang auftreten - r-Prozess (rapid neutron capture) spielt sich im Gegensatz zum s- Prozess auf sehr kurzen Zeitskalen ab, Neutroneneinfangzeiten ca 10-4 s. -Ende des eigentlichen Syntheseprozesses nach Versiegen des Neutronenflusses: Kerne zerfallen zurück zum Stabilitätstal -so sind neutronenreiche Isotope erklärbar, die nicht vom s- Prozesspfad berührt werden -kurze Dauer (wenige Sekunden) deutet auf explosiven Mechanismus hin (Supernova)

Ist unsere Sonne selbst eine ehemalige Supernova Ist unsere Sonne selbst eine ehemalige Supernova? Idee: Sonneneruptionen könnten von den Überresten eines explodierten Sterns im Sonneninnern verursacht werden - heute gängige Theorien: Sonne u. restl. Himmelskörper im Sonnensystem aus einem Urnebel entstanden „in der Nähe des Urnebels“ explodierte Supernova ließ demnach den Nebel kollabieren u.initialisierte Sonnensystembildung - neue Idee (O.Manuel, Missouri, 2003): explodierende Supernova lieferte das Material für den Urnebel u. deren Überreste befinden sich heute im Innern der Sonne Argument: relatives Verhältnis leichte/schwere Isotope im Sonnenwind, Vermutung: Sonnenkern enthält viel Eisen

Andere Planetensysteme -Entdeckung durch period. Bewegungsänd. des Sterns -erstmals 1996 extrasolarer Planet nachgewiesen -Überprüfung der Entstehungsszenarien an protoplanetaren Nebeln und entdeckten Systemen -neue Fragen z.B.: Gasriese extrem dicht an Sonne

Unter: www.astrobox.net findet man Angaben und Bilder zu einigen bislang bekannten extrasolaren Planeten(systemen): http://www.astrobox.net/index.html?http://www.astrobox.net/astro/sosys/andere.php

Literatur: Alfred Fischer: „Die Harmonie im Kosmos“ (2003) Rudolf Kippenhahn: „Unheimliche Welten – Planeten, Monde und Kometen“ (1987) „The Cambridge Atlas of Astronomy“ edited by Jean Audouze and Guy Israel Cambridge University Press and Newnes Books 1985 H.V. Klapdor-Kleingrothaus/ K. Zuber : „Teilchenastrophysik“ (1997) H.H. Voigt: „Abriss der Astronomie“ (1975) http://results.about.com/solar_system/