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Planetologie : Samen für Planeten

„Sharpless 140” - denkbarer Geburtsort für Planeten, 3000 Lichtjahre von uns entfernt Bild: Nasa/JPL

Die Art und Weise, wie Staubpartikel im schwerelosen Raum wachsen, eröffnet Erkenntnisse über die Entstehung der Planeten und Sonnensysteme.

          Obwohl unser Sonnensystem mittlerweile recht gut erforscht ist, wissen die Wissenschaftler noch immer vergleichsweise wenig darüber, wie die Planeten entstanden sind. Daran hat auch die Entdeckung zahlreicher Planeten um andere Sonnen nicht viel geändert. Klar ist nur, daß Gas und Staub das Ausgangsmaterial waren. Wie sich aber der Schritt von feinen Teilchen hin zu größeren Brocken vollzog, ist noch immer rätselhaft. Jürgen Blum von der TU Braunschweig und seine Kollegen versuchen seit einigen Jahren, Licht ins Dunkel der frühen Phase der Planetenentstehung zu bringen. Jetzt haben sie die Ergebnisse ihrer jüngsten Experimente vorgelegt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Vor rund fünf Milliarden Jahren hat sich als erstes Objekt unseres Sonnensystems die Sonne gebildet. Sie entstand durch einen Gravitationskollaps in dem präsolaren Nebel, einer Molekülwolke aus Gas und Staub. Als Folge davon wurde Wärme freigesetzt, was dazu führte, daß der Staub in der Materiescheibe, die die Sonne nun umgab, verdampfte. Mit fortschreitender Zeit kühlte die Scheibe wieder ab, und neuer Staub konnte sich bilden. Aus diesem begannen sich allmählich die Planeten zu formen - die Erde beispielsweise vor etwa 4,6 Milliarden Jahren.

          Simulationen der Planetenentstehung

          Für das Zusammenbacken der Staubteilchen blieb vergleichsweise wenig Zeit. Als die Sonne ein Alter von etwa zehn Millionen Jahren erreicht hatte, begann in ihrem Inneren Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Dabei entstand neben intensiver Strahlung eine Druckwelle, die alle bis dahin entstandenen Brocken, die kleiner als einen Kilometer waren, aus dem präsolaren Nebel fortschleuderte. Diese Größe mußten die Keime der Planeten damals also schon erreicht haben.

          Mit Computersimulationen versucht man, die frühe Phase der Planetenentstehung im Detail nachzuvollziehen. Dabei läßt man mikrometergroße Staubteilchen, die sich innerhalb einer Gasscheibe mit thermischen Geschwindigkeiten hin- und herbewegen, sanft miteinander kollidieren. Stoßen die Partikeln zusammen, wirkt zwischen ihnen nur die elektrostatische Van-der-Waals-Anziehung. Diese rührt von kurzzeitigen Umverteilungen der Oberflächenladungen her. Gravitationskräfte spielen indes keine Rolle. Sie dominieren erst bei kilometergroßen Brocken. Haben sich zwei Partner gefunden, bleiben sie aneinander haften. Weitere Staubteilchen kommen nun hinzu, und so entsteht allmählich ein sich immer weiter verzweigendes Netz - zumindest in den Simulationen. Die Gebilde haben, mathematisch gesehen, die fraktale Dimension von knapp 2. Dieser Wert liegt in der Mitte zwischen einer linearen Kette mit der Dimension 1 und einem Klumpen mit der Dimension 3.

          Experiment nur in der Schwerelosigkeit machbar

          Auf experimentellem Wege lassen sich die theoretischen Ergebnisse auf der Erde freilich nicht überprüfen. Man muß sich schon deshalb dorthin begeben, wo absolute Schwerelosigkeit herrscht. Jürgen Blum und seine Kollegin Maya Krause von der Universität Jena haben ihre Versuchsanordnung deshalb in den Weltraum verfrachtet - erstmals im Oktober 1998 an Bord der Raumfähre Discovery, ein halbes Jahr später dann an Bord einer unbemannten Rakete. In beiden Fällen bestand der Versuchsaufbau aus einem mit Gas und Staub gefüllten Behälter. Um die Bedingungen im präsolaren Nebel so realistisch wie möglich zu gestalten, bestand der Staub aus mikrometergroßen Siliziumdioxyd-Kügelchen, also aus feinem Sand gewissermaßen, wie er vielfach in der Natur anzutreffen ist. Mikroskopkameras verfolgten die Vorgänge in der Vakuumkammer. An Bord der Discovery waren die Staubteilchen jedoch zu schnell aus dem Sichtbereich des Mikroskops gewandert, so daß viele Fragen zunächst offenblieben.

          Eine verbesserte Apparatur schickten Blum und Krause dann im Mai 1999 mit der Maser-8-Rakete in den Weltraum. Den Forschern sollte dieses Mal nicht entgehen, was sich in der nur sechs Minuten dauernden Schwerelosigkeit in der Vakuumkammer abspielte. Deshalb hatten sie zuvor zwei spezielle Hochgeschwindigkeitsmikroskope entwickelt, die die komplette Vakuumkammer ausleuchteten. Die mit thermischen Geschwindigkeiten kollidierenden Staubpartikeln zeichneten sich als kleine Schatten vor dem hellen Hintergrund ab. Wie Blum und Krause jetzt in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 93, Nr. 0211031) berichten, formten die Staubteilchen in der kurzen Dauer der Schwerelosigkeit kettenförmige Gebilde, die aus einigen Dutzend Staubkörnern bestanden und kaum Verästelungen aufwiesen. Eine Verklumpung war dagegen nicht zu beobachten. Entsprechend war die fraktale Dimension der Strukturen mit 1,4 deutlich kleiner als in den Computersimulationen.

          Überraschend schnelle Kettenbildung

          Eine mögliche Erklärung dafür haben die Forscher bereits parat: Danach rotieren die Ketten während ihres Wachstums wie winzige Propeller. Weitere Staubkörner bleiben bevorzugt an den Enden haften. Sie können nicht zur Mitte der Gebilde gelangen und dort verklumpen. Die Wissenschaftler waren über die Geschwindigkeit erstaunt, mit der sich die Staubketten gebildet hatten. Vollzieht sich der Prozeß in Wirklichkeit ähnlich schnell, so können in einer Staubwolke innerhalb eines Jahres Aggregate aus Hunderten von Partikeln heranwachsen. In astronomischen Zeiträumen gedacht, laufen die ersten Schritte der Planetenentstehung somit rasend schnell ab.

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