Die Hypothese, dass das Sonnensystem aus einer riesigen Gas- und Staubwolke geboren wurde, wurde erstmals in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts aufgestellt. Es wurde vom deutschen Philosophen Immanuel Kant vorgeschlagen und vom französischen Mathematiker Pierre-Simon de Laplace entwickelt. Es ist jetzt ein Konsens unter den Astronomen. Dank der enormen Menge an Beobachtungsdaten, theoretischen Eingaben und Rechenressourcen, die jetzt verfügbar sind, wurden sie kontinuierlich weiterentwickelt, aber dies ist kein linearer Prozess.
Es ist auch nicht ohne Kontroversen. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass das Sonnensystem seine gegenwärtigen Merkmale infolge einer Turbulenzperiode erhalten hat, die etwa 700 Millionen Jahre nach seiner Entstehung auftrat. Einige der neuesten Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass es in der fernen Vergangenheit Gestalt angenommen hat, irgendwann in den ersten 100 Millionen Jahren und sehr wahrscheinlich vor 10 bis 60 Millionen Jahren.
Eine von drei brasilianischen Forschern durchgeführte Studie liefert belastbare Beweise für diese frühere Strukturierung. Berichtet in einem Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht Ikarus wurde die Studie von FAPESP unterstützt. Die Autoren sind alle Mitglied der Ingenieurschule der staatlichen Universität São Paulo (FEG-UNESP) in Guaratinguetá (Brasilien).
Der Hauptautor ist Rafael Ribeiro de Sousa. Die beiden anderen Autoren sind André Izidoro Ferreira da Costa und Ernesto Vieira Neto, Hauptforscher der Studie.
“Die große Datenmenge, die aus der detaillierten Beobachtung des Sonnensystems gewonnen wurde, ermöglicht es uns, die Flugbahnen der vielen Körper, die die Sonne umkreisen, genau zu definieren”, sagte Ribeiro gegenüber Agência FAPESP. „Diese Orbitalstruktur ermöglicht es uns, die Geschichte der Entstehung des Sonnensystems zu schreiben. Aus der Gas- und Staubwolke, die unseren Stern vor etwa 4,6 Milliarden Jahren umgab, tauchten die Riesenplaneten in Bahnen auf, die näher beieinander und auch näher an der Sonne lagen. Die Bahnen waren auch koplanarer und kreisförmiger als jetzt und in resonanten dynamischen Systemen stärker miteinander verbunden. Diese stabilen Systeme sind das wahrscheinlichste Ergebnis der Gravitationsdynamik der Planetenbildung aus gasförmigen protoplanetaren Scheiben. “
Izidoro bot weitere Details an. „Die vier Riesenplaneten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – in kompakteren Bahnen aus der Gas- und Staubwolke hervorgegangen “, sagte er. „Ihre Bewegungen waren aufgrund von Resonanzketten stark synchron, wobei Jupiter drei Umdrehungen um die Sonne vollendete, während Saturn zwei vollendete. Alle Planeten waren an dieser Synchronizität beteiligt, die durch die Dynamik der Urgasscheibe und die Gravitationsdynamik der Planeten erzeugt wurde. “
In der gesamten Formationsregion des äußeren Sonnensystems, zu der auch die Zone außerhalb der aktuellen Umlaufbahnen von Uranus und Neptun gehört, hatte das Sonnensystem eine große Population von Planetesimalen, kleinen Gesteins- und Eiskörpern, die als Bausteine ??von Planeten und Vorläufern angesehen wurden von Asteroiden, Kometen und Satelliten.
Die äußere Planetesimalscheibe begann das Gravitationsgleichgewicht des Systems zu stören. Die Resonanzen wurden nach der Gasphase unterbrochen und das System trat in eine Phase des Chaos ein, in der die Riesenplaneten heftig wechselwirkten und Materie in den Weltraum schleuderten.
„Pluto und seine eisigen Nachbarn wurden in den Kuipergürtel geschoben, wo sie sich jetzt befinden, und die gesamte Gruppe von Planeten wanderte in Umlaufbahnen, die weiter von der Sonne entfernt sind “, sagte Ribeiro.
Der Kuipergürtel, dessen Existenz 1951 vom niederländischen Astronomen Gerard Kuiper vorgeschlagen und später durch astronomische Beobachtungen bestätigt wurde, ist eine toroidale (donutförmige) Struktur, die aus Tausenden kleiner Körper besteht, die die Sonne umkreisen. Die Vielfalt ihrer Umlaufbahnen ist in keinem anderen Teil des Sonnensystems zu sehen. Der innere Rand des Kuipergürtels beginnt in der Umlaufbahn von Neptun, etwa 30 astronomische Einheiten (AUs) von der Sonne entfernt. Die Außenkante ist etwa 50 AE von der Sonne entfernt. Eine AU entspricht ungefähr der durchschnittlichen Entfernung von der Erde zur Sonne.
Um auf die Störung der Synchronizität und den Beginn des chaotischen Stadiums zurückzukommen, stellt sich die Frage, wann dies geschah – sehr früh im Leben des Sonnensystems, als es 100 Millionen Jahre alt oder weniger oder viel später, wahrscheinlich etwa 700 Millionen Jahre alt war nachdem sich die Planeten gebildet haben?
“Bis vor kurzem überwog die Hypothese der späten Instabilität”, sagte Ribeiro. „Die Datierung der Mondfelsen, die von den Apollo-Astronauten zurückgebracht wurden, deutete darauf hin, dass sie von Asteroiden und Kometen erzeugt wurden, die gleichzeitig gegen die Mondoberfläche krachten. Diese Katastrophe ist als “spätes schweres Bombardement” des Mondes bekannt. Wenn es auf dem Mond passiert ist, ist es vermutlich auch auf der Erde und den anderen terrestrischen Planeten des Sonnensystems passiert. Da während der Zeit der planetaren Instabilität viel Materie in Form von Asteroiden und Kometen in alle Richtungen des Sonnensystems projiziert wurde, wurde aus den Mondgesteinen abgeleitet, dass diese chaotische Periode spät auftrat, aber in den letzten Jahren die Idee von Ein ‘spätes Bombardement’ des Mondes ist in Ungnade gefallen. “
Laut Ribeiro hätte die spätchaotische Katastrophe die Erde und die anderen terrestrischen Planeten zerstört oder zumindest Störungen verursacht, die sie in völlig andere Umlaufbahnen gebracht hätten als die, die wir jetzt beobachten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die von den Apollo-Astronauten zurückgebrachten Mondgesteine ??durch einen einzigen Aufprall erzeugt wurden. Wenn sie von einer späten Instabilität des Riesenplaneten herrühren würden, gäbe es aufgrund der Streuung der Planetesimalen durch die Riesenplaneten Hinweise auf verschiedene Auswirkungen.
„Ausgangspunkt unserer Studie war die Idee, dass die Instabilität dynamisch datiert werden sollte. Die Instabilität kann erst später aufgetreten sein, wenn zwischen dem inneren Rand der Planetesimalenscheibe und der Umlaufbahn von Neptun ein relativ großer Abstand bestand, als das Gas erschöpft war. Diese relativ große Entfernung erwies sich in unserer Simulation als nicht nachhaltig “, sagte Ribeiro.
Das Argument basiert auf einer einfachen Prämisse: Je kürzer der Abstand zwischen Neptun und der Planetesimalscheibe ist, desto größer ist der Gravitationseinfluss und damit die Periode der Instabilität. Umgekehrt erfordert eine spätere Instabilität einen größeren Abstand.
„Wir haben zum ersten Mal die ursprüngliche Planetesimalscheibe geformt. Dazu mussten wir zur Bildung der Eisriesen Uranus und Neptun zurückkehren. Computersimulationen basierend auf einem Modell von Professor Izidoro[[ Ferreira da Costa ]]im Jahr 2015 zeigte sich, dass die Bildung von Uranus und Neptun möglicherweise von planetaren Embryonen mit mehreren Erdmassen herrührt. Massive Kollisionen dieser Supererden würden zum Beispiel erklären, warum sich Uranus auf seiner Seite dreht “, sagte Ribeiro und bezog sich auf Uranus ‘„ Neigung “, wobei sich Nord- und Südpole eher auf seinen Seiten als oben und unten befanden.
Frühere Studien hatten auf die Bedeutung des Abstands zwischen Neptuns Umlaufbahn und der inneren Grenze der Planetesimalscheibe hingewiesen, verwendeten jedoch ein Modell, in dem die vier Riesenplaneten bereits gebildet waren. „Das Neue an dieser neuesten Studie ist, dass das Modell nicht mit vollständig geformten Planeten beginnt. Stattdessen befinden sich Uranus und Neptun noch in der Wachstumsphase, und der Wachstumstreiber sind zwei oder drei Kollisionen mit Objekten mit bis zu fünf Erdmassen “, sagte Izidoro.
„Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Jupiter und Saturn gebildet werden, aber wir haben fünf bis zehn Supererden anstelle von Uranus und Neptun. Die Supererden werden durch das Gas gezwungen, sich mit Jupiter und Saturn zu synchronisieren, aber da sie zahlreich sind, schwankt ihre Synchronizität und sie kollidieren am Ende. Die Kollisionen reduzieren ihre Anzahl und ermöglichen Synchronizität. Schließlich bleiben Uranus und Neptun übrig.
„Während sich die beiden Eisriesen im Gas bildeten, wurde die Planetesimalscheibe verbraucht. Ein Teil der Angelegenheit wurde an Uranus und Neptun weitergegeben, und ein Teil wurde in die Außenbezirke des Sonnensystems befördert. Das Wachstum von Uranus und Neptun definierte daher die Position der inneren Grenze der Planetesimalscheibe. Was von der Scheibe übrig war, ist jetzt der Kuipergürtel. Der Kuipergürtel ist im Grunde ein Relikt der ursprünglichen Planetesimalscheibe, die einst weitaus massiver war. “
Das vorgeschlagene Modell stimmt mit den aktuellen Umlaufbahnen der Riesenplaneten und der im Kuipergürtel beobachteten Struktur überein. Dies steht auch im Einklang mit der Bewegung der Trojaner, einer großen Gruppe von Asteroiden, die sich die Jupiter-Umlaufbahn teilen und vermutlich während der Störung der Synchronizität gefangen genommen wurden.
Laut einem von Izidoro im Jahr 2017 veröffentlichten Artikel befanden sich Jupiter und Saturn noch in der Formation, wobei ihr Wachstum zur Verschiebung des Asteroidengürtels beitrug. Das neueste Papier ist eine Art Fortsetzung, beginnend mit einer Phase, in der Jupiter und Saturn vollständig geformt, aber immer noch synchronisiert waren, und beschreibt die Entwicklung des Sonnensystems von da an.
„Die Gravitationswechselwirkung zwischen den Riesenplaneten und der Planetesimalscheibe verursachte Störungen in der Gasscheibe, die sich in Form von Wellen ausbreiteten. Die Wellen erzeugten kompakte und synchrone Planetensysteme. Als das Gas ausging, störte die Wechselwirkung zwischen den Planeten und der Planetesimalscheibe die Synchronizität und führte zur chaotischen Phase. Unter Berücksichtigung all dessen stellten wir fest, dass die Bedingungen für den Abstand zwischen Neptuns Umlaufbahn und der inneren Grenze der Planetesimalscheibe einfach nicht existierten, um die Hypothese der späten Instabilität aufrechtzuerhalten. Dies ist der Hauptbeitrag unserer Studie, die zeigt, dass die Instabilität in den ersten hundert Millionen Jahren aufgetreten ist und beispielsweise vor der Entstehung von Erde und Mond aufgetreten sein kann “, sagte Ribeiro.
Referenz: „Dynamische Beweise für eine frühe Instabilität des Riesenplaneten“ von Rafael de Sousa Ribeiro, Alessandro Morbidelli, Sean N. Raymond, Andre Izidoro, Rodney Gomes und Ernesto Vieira Neto, 15. März 2020, Ikarus.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2019.113605
FAPESP unterstützte die Studie durch einen Ph.D. Stipendium und ein Stipendium für ein Forschungspraktikum im Ausland an Ribeiro; ein Young Investigator Fellowship und ein Young Investigator Grant an Izidoro; und das thematische Projekt „Zur Relevanz kleiner Körper für die Orbitaldynamik“, für das der Hauptforscher Othon Cabo Winter ist.