Sonnensystem Turbulente Frühphase im Sonnensystem

Die Frühgeschichte des Sonnensystems ist möglicherweise noch wechselvoller abgelaufen als bislang vermutet. Schon länger ist angenommen worden, dass die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun nicht von Anfang an auf ihren heutigen Bahnen um die Sonne kreisten. Neue Simulationsrechnungen zur Entstehung der Planeten legen nun die Hypothese nahe, dass Jupiter dabei zeitweise fast bis auf Marsnähe oder auf ein Drittel seiner heutigen Entfernung an die Sonne herangekommen ist und so das Wachstum des Roten Planeten massiv behindert hat. Das berichten französische und amerikanische Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (doi: 10.1038/nature10201).

Gasplaneten verhindern das Wachstum des Mars

Schon vor Jahren hatten die Modellierer um Alessandro Morbidelli vom Observatoire de la Côte d'Azur gezeigt, dass es beim Heranwachsen von Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun zu Wechselwirkungen mit der Gas- und Staubscheibe gekommen war, die die Sonne ursprünglich umgeben hatte. Während die Bahn von Jupiter durch dieses Wechselspiel langsam nach innen driftete, wurden die drei übrigen Planeten mehr oder minder stark nach außen getrieben.

Die neuen Simulationen, die von Kevin Walsh vom Southwest Research Institute in Boulder (Colorado) geleitet wurden, sollten unter anderem eine mögliche Erklärung für die geringe Größe des Planeten Mars finden (siehe F.A.Z. vom 1. Juni). Diese ließe sich recht einfach verstehen, wenn der Planet frühzeitig von der Zufuhr von weiteren Planetenbausteinen abgeschnitten worden wäre.

Kein Nachschub an Material

Nach Ansicht der Forscher hat sich folgendes Szenario abgespielt: Weil das Material in der ursprünglichen Gas- und Staubscheibe aufgrund der gegenseitigen Reibung langsam nach innen driftete, konnte ein solches Wachstumsende zum Beispiel dadurch ausgelöst werden, dass der äußere Rand der den Nachschub liefernden Scheibe von einem bestimmten Zeitpunkt an innerhalb der damaligen Marsbahn verlief. Eine solche Begrenzung könnte zum Beispiel durch Störeinflüsse des weitaus massereicheren Jupiter bewirkt worden sein, der - weil er selbst große Mengen aus dem nach innen driftenden Material herausfischte - eine breite Schneise in diese Scheibe schlug.

Damit diese Schneise auch noch den jungen Mars einhüllte und ihn so von der Zufuhr weiteren Materials abschnitt, müsste Jupiter aber vorübergehend bis auf weniger als ein Drittel seiner heutigen Entfernung an die Sonne herangekommen sein. Das wiederum schien lange Zeit hindurch undenkbar, weil der heutige Asteroidengürtel zwischen Mars- und Jupiterbahn diese Phase planetarer Wanderjahre kaum überlebt haben dürfte.

Eisgrenze als Barriere

Die neuen Modellrechnungen von Walsh und Morbidelli zeigen jedoch, dass der Asteroidengürtel auch erst nach diesem kurzen Ausflug von Jupiter in den Bereich der heutigen Marsbahn bevölkert worden sein kann. Das neue Szenario erklärt dies zwanglos und kann dabei sogar bislang unverstanden gebliebene Eigenheiten in der Zusammensetzung des Asteroidengürtels erklären.

Folgt man diesem Modell, dann formten sich die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun vergleichsweise schnell in einem Bereich, der die 3,5- bis achtfache Entfernung von Sonne und Erde umfasst. Jupiter, der innerste dieser vier Planeten, konnte nahe der sogenannten Eisgrenze (jener Entfernung zur Sonne, außerhalb derer Wasser zu Eis gefriert) besonders viel Materie ansammeln und schließlich im Wechselspiel mit der umgebenden Gas- und Staubwolke langsam nach innen driften.

Die Kertwende des Jupiters

Saturn, der weiter außen entstanden war, erreichte erst später genügend Masse, um ebenfalls nach innen treiben zu können. Da er jedoch deutlich weniger Materie angesammelt hatte, war der Bremseinfluss der umgebenden Gas- und Staubwolke stärker, so dass seine Bahn erheblich schneller schrumpfte. Dabei wurde rund 100 000 Jahre später schließlich ein Sonnenabstand erreicht, bei dem Saturns Umlaufzeit um die Hälfte größer war als diejenige von Jupiter. Ein solches Verhältnis führt zu einer starken Bahnresonanz, die die nach innen gerichtete Bewegung des Jupiters stoppen und umkehren konnte. Jupiter - und auch der Saturn - entfernten sich fortan wieder langsam von der Sonne. Dabei zerrten sie offenbar einen Teil der weiter innen kreisenden Gesteinsbrocken mit, die so den Grundstock für den inneren Teil des Kleinplanetengürtels, die S-Typ-Asteroiden, bildeten.

Eisbrocken als Quelle für Wasser?

Nach weiteren rund 100 000 Jahren hatten Jupiter und Saturn ihre ursprüngliche Sonnendistanz in etwa wieder erreicht, dabei aber ihre neu gewonnene Bahnresonanz beibehalten, so dass sie langsam weiter nach draußen getrieben wurden. Gemeinsam drängten sie nun die noch weiter außen gelegenen Planeten Uranus und Neptun auf ebenfalls größer werdende Bahnen, bis schließlich der Gasanteil der ursprünglichen Materiewolke durch die zunehmend energiereichere Strahlung der Sonne vertrieben wurde und damit die Wanderphase der Planeten endete. In dieser letzten Etappe wurden im Gegenzug zahlreiche Eisbrocken und kohlenstoffreiche Objekte nach innen gelenkt, wo sie vorwiegend den äußeren Bereich des heutigen Asteroidengürtels füllten. Ein Teil dieser Objekte dürfte sogar bis zur Erde vorgedrungen sein und so unseren Planeten mit den ursprünglich nicht eingelagerten Wassermengen versorgt haben - ein ebenfalls bislang nicht befriedigend gelöstes Rätsel aus der Frühphase des Sonnensystems.