28.08.2018

Jupiter hatte Wachstumsstörungen

Meteoritendaten führen zu neuem Modell der Ent­stehung des Riesen­planeten.

Jupiter ist der größte Planet des Sonnensystems und hat drei­hundert Mal so viel Masse wie die Erde. Der Ent­stehungs­mecha­nismus von Riesen­planeten wie Jupiter ist seit Jahr­zehnten ein heiß disku­tiertes Forschungs­thema. Jetzt haben sich Forscher des Natio­nalen Forschungs­schwer­punkts PlanertS der Unis Bern und Zürich sowie der ETH Zürich zusammen­getan, um die Rätsel rund um die Ent­stehung des Jupiters und neue Messungen zu erklären.

Abb.: Jupiter, der größte Planet unseres Sonnen­systems (Bild: NASA / ESA)

„Wir konnten zeigen, dass Jupiter in verschiedenen Phasen gewachsen ist“, erklärt Julia Ventu­rini von der Uni Zürich. „Besonders inte­res­sant ist, dass es nicht die gleichen Körper sind, welche die Masse und die Energie liefern“, ergänzt Yann Ali­bert von PlanetS. Zuerst sammelte der Planeten-Embryo näm­lich schnell zenti­meter­große Kiesel­steine an und formte so in den ersten eine Million Jahren rasch einen Kern. Die folgen­den zwei Milli­onen Jahre waren geprägt von einer lang­sameren Anhäu­fung von kilo­meter­großen Plane­tesi­malen. Diese trafen den wach­senden Planeten mit großer Wucht und setzen Wärme frei. „Während der ersten Etappe brachten die Kiesel­steine die Masse“, erklärt Ali­bert. „In der zweiten Phase fügten die Plane­tesi­male auch etwas Masse hinzu, aber was noch wich­tiger ist, sie brachten Energie.“ Nach drei Milli­onen Jahren war Jupiter zu einem Körper von fünf­zig Erd­massen heran­ge­wachsen. Dann begann die dritte Ent­wick­lungs­phase, domi­niert von der Anreiche­rung von Gasen, die zum heutigen Gas­riesen mit etwa drei­hundert Erd­massen führte.

Das neue Modell für Jupiters Geburt passt zu Meteoritendaten, die letztes Jahr auf einer Konfe­renz in den USA vor­ge­stellt wurden. Zunächst waren Ventu­rini und Ali­bert ver­wirrt, als sie die Ergeb­nisse hörten. Die Messungen der Zusamme­nsetzung von Meteo­riten zeigen, dass in der Urzeit das Sonnen­system während zwei Milli­onen Jahren in zwei Regionen auf­ge­teilt war. Daraus ließ sich der Schluss ziehen, dass Jupiter eine Barriere dar­stellte, als er von zwanzig auf fünfzig Erd­massen anwuchs. Während dieser Zeit muss der Planet die Staub­scheibe gestört haben, und er muss eine Über­dichte erzeugt haben, welche dazu führte, dass die Kiesel­steine außer­halb seiner Umlauf­bahn gefangen waren. Daher konnte sich das Material aus den äußeren Regionen nicht mit dem Material der inneren ver­mischen, bis der Planet genügend Masse erreicht hatte, um Gestein umzu­lenken und nach innen zu streuen.

„Wie konnte es zwei Millionen Jahre dauern, bis Jupiter von zwanzig auf fünfzig Erd­massen ange­wachsen war?“ fragte sich Ventu­rini. „Das schien viel zu lang. Das war die Frage, die unsere Studie aus­löste.“ Mit ihren Berech­nungen zeigten die Forscher, dass die Zeit, die der junge Planet im Massen­bereich von 15 bis 50 Erd­massen ver­brachte, in der Tat viel länger war als bisher ange­nommen. Während dieser Ent­stehungs­phase lieferten die Kolli­sionen mit den kilo­meter­großen Blöcken genügend Energie, um die Gas­atmo­sphäre des jungen Jupiters auf­zu­heizen und eine schnelle Abküh­lung, Kontrak­tion und weitere Gas­anreiche­rung zu ver­hindern. „Kiesel­steine sind in den ersten Phasen wichtig, um schnell einen Kern zu bilden. Aber die Wärme, die von den Plane­tesi­malen geliefert wird, ist ent­schei­dend, um die Gas­anreiche­rung so zu ver­zögern, dass sie zur Zeit­skala passt, die durch die Meteo­riten­daten vor­ge­geben wird“, fassen die Wissen­schaftler zusammen. Sie sind über­zeugt, dass ihre Ergeb­nisse auch ent­schei­dend dazu bei­tragen werden, lang­wierige Probleme bei der Erklä­rung der Ent­stehung von Uranus und Neptun sowie Exo­planeten mit ähn­licher Masse zu lösen.

U. Bern / RK

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