Hat sich das Sonnensystem verändert?

 

Beinahe jeder natürliche Prozess, der von Wissenschaftlern auf der Erde beobachtet wird, kennzeichnet sich durch ein nur schwer zu verstehendes Merkmal: Dynamik. Dynamik bedeutet, dass etwas in Bewegung ist. Dabei kann es sich um Himmelskörper, Autos, Fußballer oder auch Katzen handeln. Die ihnen zugrundeliegende Dynamik entscheidet maßgeblich über ihr äußeres Erscheinungsbild. In der Natur hingegen, ist Dynamik gleichbedeutend mit Veränderung. Die Verabschiedung einer Weltansicht, die vom absoluten Zustand im Hier und Jetzt und vollkommener Statik ausgeht, ist die Konsequenz. Wie schon lange bekannt ist, strebt jedes physikalische System dem Zustand niedrigster Energie entgegen, und das ist in der Physik stets ein Gleichgewichtszustand. Solange es in Systemen ein austariertes Gleichgewicht zwischen einzelnen Elementen gibt, sind keine großen Veränderungen zu erwarten, was gleichbedeutend ist mit einer schwach ausgeprägten Systemdynamik. Was sich aber in unserem Sonnensystem vor etwa 4,5 Milliarden Jahren abgespielt haben muss, war vermutlich weit entfernt von einem Gleichgewichtszustand, in dem sich nichts mehr tut.

 

Sicher seid ihr bereits mit dem allseits bekannten Spruch vertraut: ,,Mein Vater Erklärt Mir Jeden Sonntag Unseren Nachthimmel.“ Dieser Satz ist seit dem Pluto 2006 der Planetenstatus aberkannt wurde, wohl nicht nur die neueste Version, eines allgemein geltenden Merksatzes! Dieser Satz spiegelt wohlmöglich auch die Verhältnisse im damaligen Sonnensystem völlig falsch wieder. Astrophysiker vermuten nämlich, dass die wohlselektierte Anordnung der Planeten um die Sonne, nicht immer so aussah, wie sie es heute tut. Wie kommt man auf diese Idee?

 

Fangen wir am besten ganz vorne an: Bei der Entstehung des Sonnensystems. Das Sonnensystem entstand vor ca. 4,6 Milliarden Jahren aus einer interstellaren Wolke, bestehend aus Gas und Staub. Der einsetzende Kollaps eines Wolkenfragments, führte zunächst zur Geburt unserer Sonne. Die konnte dann im Laufe ihrer ersten „Lebensjahre“, eine protoplanetare Scheibe ausbilden. Eine ringförmige Fläche, in der sich viele, kleine Partikel und natürlich jede Menge Gas befanden. Mithilfe der sogenannten Agglomeration und elektrostatischer Anziehungskräfte, konnten einzelne Staubpartikel, aneinander haften bleiben. Es bildeten sich systematisch neue, größere Strukturen in Form von Steinen, Gesteinsbrocken, und Objekten deren Durchmesser schon über 20 Meter betrug. Das Sonnensystem gleichte zu dieser Zeit, einem einzigen Trümmerhaufen. Tausende von kleinen Protoplaneten, zogen auf ungeordneten Bahnen um die Sonne, kollidierten und warfen viele ihrer „Mitstreiter“ aus dem kosmischen Wettkampf. Im Zuge dessen, verflüchteten sich viele Körper in den fernen Weltraum, die bei entsprechenden Bedingungen möglicherweise noch zu Planeten hätten werden können. Mittlerweile sind die Dinger schon Lichtjahre entfernt, im interstellaren Raum.

Faktisch aber, gewann das Sonnensystem immer mehr und mehr an Struktur. Objekte die einen Durchmesser von 20 Metern erreicht hatten, rotierten fortan keplersch um die Sonne. Keplersch bedeutet hier, dass sie den keplerschen Gesetzen gehorchten und ihre Umlaufbahn somit beispielsweise einer Ellipse gleichkam. Im Laufe der Jahrmillionen blieben nur noch wenige massereiche Körper übrig, die nicht aufgrund von Kollisionen zerstört oder durch gravitative Effekte aus ihrer Bahn geworfen wurden. Massen die einen Grenzwert von 10 Erdmassen erreichten, konnten zusätzlich zu einfallenden Gesteinsbrocken auch noch große Teile des Scheibengases an sich binden. So erklärt man sich die Entstehung der Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Merkur, Venus, Erde und Mars befanden sich für eine nennenswerte Akkretion von Gas erstens zu nahe an der Sonne, und zweitens reichte auch ihre Masse schlichtweg nicht aus um ein entsprechend starkes Gravitationsfeld aufzubauen, dass im Zuge der planetaren Entwicklung große Mengen von Gasen an sich bindet. So erklärt man sich die Entstehung unseres Sonnensystems und eigentlich gibt es doch auch gar keine Probleme!? Wozu also dieser Text?

 

Wissenschaftler waren verständlicherweise schon früh daran interessiert, diese theoretische Modellvorstellung zeitgemäß in einen Simulationsentwurf umzuwandeln. Dafür ist jedoch noch etwas Vorarbeit von Nöten. Es ist zumindest wichtig, Kenntnisse über die damalige Massenverteilung in der protoplanetaren Scheibe zu haben. Ein erstes Modell, was uns hier hilft wurde bereits 1949 entwickelt und seit dem vielfältig modifiziert und überarbeitet. Zur Abschätzung der Massenverteilung in der damaligen protoplanetaren Scheibe, bedient man sich des „Minimum Mass Solar Nebula-Modells“ (MMSN-Modell). Dabei schätzt man zunächst den Metallanteil (alle Elemente schwerer als Helium) der Planeten Merkur bis Neptun ab. Schließlich wird dieser Wert noch mit dem dazugehörigen Gasanteil (Wasserstoff, Helium) ergänzt. Aus diesen beiden Werten ergibt sich die sogenannte erweiterte Gesamtmasse eines Körpers. Geht man nun davon aus, dass die so ermittelte Masse eines Planeten homogen um eine ringförmige Fläche um die Sonne verteilt war, so erhält man die ursprüngliche Massenverteilung in der protoplanetaren Scheibe. Die örtliche Flächendichte eines bestimmten Punktes in der protoplanetaren Scheibe, ist dann gleich der erweiterten Gesamtmasse des Planeten geteilt durch die dazugehörige Ringfläche. Mit diesen Daten lässt sich der Verlauf von Dichte und Masse ziemlich genau errechnen. Man kommt schließlich darauf, dass die Flächendichte umgekehrt proportional zum Sonnenabstand hoch 3/2 abfiel. Auf dieser Grundlage modelliert man die Massen- und Dichteverteilung, aus deren Werten sich schließlich die Größen der Planeten ableiten lassen.

 

Füttert man einen Computer mit den oben errechneten Daten und simuliert das Geschehen, so stößt man bei der Entstehung von Uranus und Neptun auf gravierende Schwierigkeiten! Nach dem errechneten Dichteprofil, hätten sie die Masse die sie heute faktisch nachweislich besitzen, in ihrem derzeitigen Abstand zur Sonne nie erreichen dürfen. Uranus und Neptun wären dem Simulationsergebnis zufolge niemals so massereich geworden, wie sie es heute sind. Sicher, könnten auch die errechneten Daten nicht völlig richtig sein und sich aufgrund des Schmetterlingeffekts im Laufe der Zeit zu großen Abweichungen aufgeschaukelt haben (siehe ,,Kann man die Natur berechnen?“) Das ist aber in höchstem Maße unwahrscheinlich! Erstens, weil sich alle beteiligten Wissenschaftler sehr sicher sind, dass die Massenmodellierung richtig durchgeführt wurde und zweitens weil bereits mehrere Dutzend Simulationen mit leicht veränderten Parametern zum fast selben Ergebnis führten. Die einzige Erklärung: Uranus und Neptun können nicht dort entstanden sein, wo sie heute ihre Bahnen ziehen! Sie mussten weiter Innen „geboren“ werden und dann langsam nach außen wandern. 2005 simulierte man auch das erneut, im sogenannten Nizza-Modell. Dabei geschah nun folgendes:

 

Durch eine gravitative Störung wurde ein großer Teil an Kleinkörpern bestehend aus Asteroiden und übrig gebliebenen Planetesimalen ins Innere Sonnensystem geschleudert. Dort wurden nicht nur die Bahnen der eindringenden Körper verändert, sondern kontinuierlich auch die Orbits der Gasplaneten. Jupiter wanderte langsam in Richtung Sonne, Saturn, Neptun und Uranus drifteten gemächlich nach außen. Diese sanft andauernde Migration währt rund 600 Millionen Jahre, ehe es zu einer 2:1 Resonanz zwischen Jupiter und Saturn kommt. Jupiters Bahngeschwindigkeit wird aufgrund der Sonnenannäherung nämlich immer größer, die der anderen 3 Planeten jeweils kleiner. Während Jupiter die Sonne zwei mal umläuft, schafft es der Saturn genau einmal. Folglich begegnen sich die beiden Giganten alle 2 Jahre an exakt der selben Stelle und sorgen aufgrund ihrer hohen Gravitationsfelder zu ausgeprochen turbulenten Verhältnissen zwischen Uranus und Neptun. Die kommen offenbar überhaupt nicht mehr klar, mit der Tatsache, dass die vereinte Schwerkraft beider Gasriesen ständig an derselben Stelle wirkt. Uranus und Neptun driften daher noch weiter nach außen und wechseln in 50% aller Simulationsergebnisse auch noch ihre Plätze.

 

So erklärt es die Nizza-Simulation. Alle Planeten entstehen anfangs in geringerer Sonnenentfernung, durch eine ausgelöste Schwerkraftkatastrophe eindringender Planetesimale, kommt es jedoch 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems zu einer gravierenden Umstrukturierung in den äußeren Bezirken. Die Gesteinsplaneten blieben davon weitestgehend verschont und merkten nur in begrenztem Umfang etwas, von ihren aktiven Nachbarn.

 

Schließlich bietet das Modell auch noch einen Erklärungsansatz für die Entstehung des Kuipergürtels, hinter Pluto. Möglich ist nämlich, dass es sich bei dem Kuipergürtel um die Asteroidenüberreste handelt, die nach der Simulation ins Innere Sonnensystem geschleudert wurden und so die Umstrukturierung einleiteten. Auch die zahlreichen Einschlagskrater auf dem Merkur und dem Mond, könnten zum Teil so entstanden sein. Beschäftigen wir uns zuletzt noch mit der Frage, was passiert wenn das MMSN-Modell mit der Nizza-Simulation kombiniert wird. Dabei ging man genau so vor, wie schon im MMSN-Modell beschrieben. Der einzige Unterschied ist, dass nun nur die Masse der 4 Gasriesen auf die Modellbahnen verteilt wurden. Dabei zeigte sich, dass die Flächendichte offenbar viel schneller abfällt als nur im MMSN-Modell, allerdings ist sie im Bereich aller Gasriesen etwa fünfmal größer. Auf diese Art hätte jeder Gasplanet mit der heutigen Entfernung auf seine beobachtete Masse anwachsen können. Dummerweise zeigt sich jedoch, dass die protoplanetare Scheibe in diesem Modell starke Dichtevariationen aufweist insbesondere um Uranus und Neptun. Das stand im Widerspruch zu einer physikalisch plausiblen Massenverteilung in der Scheibe. Tauscht man wiederum jetzt die Positionen von Uranus und Neptun gegeneinander aus, so fällt die Kurve wieder gleichmäßig ab.

 

Allem Anschein nach, sind die Gasriesen also nicht dort entstanden wo wir sie heute beobachten können. In der Vergangenheit muss es zu gravierenden Umstrukturierungen gekommen sein, so legt es zumindest die errechnete Massenverteilung der protoplanetaren Scheibe fest. Möglicherweise kommt es ja bald wieder zu anderen Veränderungen im Sonnensystem, von denen wir heute noch nichts wissen. Selbst Johann Wolfgang von Goethe wusste schon: ,,Wohl ist alles in der Natur Wechsel, aber hinter dem Wechselnden ruht ein Ewiges.“