Jupiter hatte Wachstumsstörungen

Forscher können nun zeigen, wie Jupiter gebildet wurde. Daten aus Meteoriten haben gezeigt, dass sich das Wachstum des Riesenplaneten um zwei Millionen Jahre verzögert hat. Nun haben Forscher eine Erklärung dafür gefunden. Kollisionen mit kilometergroßen Blöcken erzeugten eine hohe Energie, so dass in dieser Phase kaum eine Gasansammlung stattfinden konnte und der Planet nur langsam wuchs.

Mit einem Äquatordurchmesser von rund 143.000 Kilometern ist Jupiter der größte Planet im Sonnensystem und hat die 300-fache Masse der Erde. Der Bildungsmechanismus von Riesenplaneten wie Jupiter ist seit Jahrzehnten ein heiß diskutiertes Thema. Nun haben sich Astrophysiker des National Centre of Competence in Research (NCCR) PlanetS der Universitäten von Bern und Zürich sowie ETH Zürich zusammengeschlossen, um die bisherigen Rätsel um die Entstehung von Jupiter und neue Messungen zu erklären.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

„Wir konnten zeigen, dass Jupiter in unterschiedlichen Phasen gewachsen ist“, erklärte Julia Venturini, Postdoc an der Universität Zürich. „Besonders interessant ist, das es nicht die gleiche Art von Objekten sind, die Masse und Energie bringen“, fügte Yann Alibert, wissenschaftlicher Beauftragter von PlanetS und Hauptautor des Paper hinzu. Zuerst sammelte der planetare Embryo kleine, zentimetergroße Kiesel auf und bildete in der ersten Million Jahre schnell einen Kern. Die folgenden zwei Millionen Jahre wurden von einer langsameren Akkretion durch kilometergroße Gesteine, den sogenannten Planetesimalen, dominiert. Sie treffen den wachsenden Planeten mit hoher Energie und setzen Wärme frei. „In der ersten Phase brachten die Kieselsteine die Masse“ erklärte Yann Alibert. „In der zweiten Phase haben auch Planetesimale ein wenig Masse hinzugefügt, aber was noch wichtiger ist, sie haben Energie gebracht.“ Nach drei Millionen Jahren war Jupiter zu einem Objekt von 50 Erdmassen angewachsen. Dann begann die dritte Bildungsphase, die von einer „gas-runaway“ Akkretion dominiert wurde, die zum heutigen Gasriesen mit mehr als 300 Erdmassen führte.

Das zweigeteilte Sonnensystem

Das neue Modell für Jupiters Geburt entspricht den Meteoriten-Daten, die letztes Jahr auf einer Konferenz in den USA präsentiert wurden. Julia Venturini und Yann Albert waren zuerst verwirrt, als sie die Ergebnisse hörten. Messungen der Zusammensetzung von Meteoriten zeigten nämlich, dass in der primordialen Zeit des Sonnensystems der Sonnennebel zwei Millionen Jahre lang in zwei Regionen geteilt war. Man könnte daraus schlussfolgern, dass Jupiter als eine Art Barriere wirkte, als er von 20 auf 50 Erdmassen anwuchs. Während dieser Periode musste der sich formende Planet die Staubscheibe gestört und eine Überdichte erzeugt haben, welche die „Kieselsteine außerhalb seiner Umlaufbahn gefangen hielt. Daher konnte sich Material aus den äußeren Regionen nicht mit dem Material der inneren Regionen vermischen, dies geschah erst, als der Planet genug Masse erreicht hatte, um Material zu stören und nach innen zu streuen.

„Wie konnte es zwei Millionen Jahre lang dauern, bis Jupiter von 20 auf 50 Erdmassen anwuchs?“ fragte sich Julia Venturini. „Das erschien mir viel zu lange“, erklärte sie. „Das war die auslösende Frage, die uns zu dieser Studie motivierte.“ Eine Diskussion per E-Mail begann zwischen NCCR PlanetS-Forschern der Universitäten Bern und Zürich und der ETH Zürich. In den darauf folgenden Wochen veranstalteten die Experten auf den Gebieten Astrophysik, Kosmochemie und Hydrodynamik ein Treffen in Bern. „In ein paar Stunden wussten wir, was wir für unsere Studie berechnen mussten“, sagte Yanni Alibert. „Das war nur im Rahmen des NCCR möglich, der Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen verbindet.“

Erklärung für verzögertes Wachstum

Mit ihren Berechnungen zeigten die Forscher, dass die Zeit, die der junge Planet im Massenbereich von 15 bis 50 Erdmassen verbrachte, tatsächlich viel länger war als bisher angenommen wurde. Während dieser Bildungsphase lieferten die Kollisionen mit den kilometergroßen Gesteinen genug Energie, um die Gasatmosphäre des jungen Jupiter zu erwärmen und verhinderten eine schnelle Abkühlung, Kontraktion und weitere Gasbildung. „Die Kiesel sind in den ersten Phasen wichtig, um schnell einen Kern zu bilden, aber die von den Planetesimalen bereitgestellte Hitze ist entscheidend, um die Gas-Akkretion so zu verzögern, dass sie mit der Zeitskala der Meteoriten übereinstimmt“, fassen die Astrophysiker zusammen. Sie sind überzeugt, dass ihre Ergebnisse auch Schlüsselelemente für die Lösung langjähriger Probleme über die Entstehung von Uranus und Neptun und auch Exoplaneten mit solchen Massen sein könnten.

29. August 2018/SP
Verein Kuffner-Sternwarte