16: Wie entstehen Planeten?

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Jeder weiß, dass es heute in unserem Sonnensystem acht Planeten gibt. Doch da stellt sich natürlich die Frage: Woher kommen diese Planeten eigentlich? Wie sind sie entstanden?

Diese Frage genau zu beantworten, ist ziemlich schwierig. Die Planeten in unserem Sonnensystem existieren schließlich schon seit mehreren Milliarden Jahren. Die erste Theorie darüber, wie es vor langer Zeit entstanden sein könnte, wurde zwar schon im 18. Jahrhundert von Pierre Simon de Laplace aufgestellt, jedoch konnte sie für sehr lange Zeit durch Beobachtungen weder bestätigt noch widerlegt werden. Und auch wenn wir mittlerweile mit Teleskopen bereits mehrere Orte, an denen momentan wohl Planeten entstehen, beobachten können, ist dieses Unterfangen immer noch recht schwierig, weil dieser Prozess mehrere Millionen Jahre dauert und wir einfach keine Zeit haben, so lange zuzuschauen. Was uns beim Beschreiben der Planetenentstehung hilft, ist aber die Tatsache, dass diese unterschiedlichen Planetenentstehungssysteme bisher unterschiedlich weit gekommen sind. So müssen wir diese einzelnen Bilder, die sich uns bieten, nur noch in einen sinnvollen Zusammenhang bringen und uns den gesamten Ablauf zusammenbasteln. Daher haben wir heute schon eine recht genaue Vorstellung von der Entstehung von Planeten – und es hat sich gezeigt, dass Laplace im Großen und Ganzen recht behalten hatte, nur an den Details musste noch etwas gearbeitet werden.

Doch wie entstehen die Planeten jetzt eigentlich? Am Anfang sieht das ganze noch ziemlich unspektakulär aus – wir haben einfach nur eine riesige, sich drehende Wolke aus Gas (hauptsächlich Wasserstoff und Helium). Doch in dieser Wolke können ganz spannende Sachen passieren, wenn es zu sogenannten lokalen Verdichtungen kommt, also an manchen Stellen mehr Material ist als an anderen. An diesen Stellen zieht sich die Gaswolke dann zusammen, wodurch der Druck und die Temperatur immer höher werden, bis es schließlich passieren kann, dass die Wasserstoffatomkerne in ihrem Inneren mit so hohen Energien aufeinanderprallen und zu Heliumatomkernen verschmelzen (mehr dazu in Weltallwissend 01: „Der Tod der Sonne“). Das ist die Geburtsstunde eines neuen Sternes!

Aber ich will heute noch zu den Planeten kommen: Entscheidend für ihre Entstehung ist nämlich der ganze Rest um den jungen Stern, der sich noch um diesen dreht. Erstmal wird diese Wolke durch die Rotation immer flacher und eine sogenannte „protoplanetare Scheibe“ entsteht. Das ist übrigens auch der Grund, warum sich die Planeten unseres Sonnensystems noch heute in einer Ebene um die Sonne drehen!

In diesem ganzen Wasserstoff- und Heliumgas befinden sich aber noch einige schwerere Elemente – in Form von Staub, wie die Astronomen das nennen. Jetzt müssen wir also einfach mal schauen, was mit diesem ganzen Staub passiert, wenn wir ihn ein paar Millionen Jahre in Ruhe lassen und abwarten. Während er am Anfang noch relativ regelmäßig verteilt ist, bilden sich nach und nach kleine Klumpen. Genau genommen handelt es sich bei der ganzen Aktion um komplizierte physikalische Prozesse, doch wir können jetzt vereinfacht sagen, dass diese Staubklumpen immer weiter wachsen. Teilweise kollidieren sie auch miteinander und dadurch entstehen etwas größere Klumpen. So entstehen Objekte, die mehrere Meter groß sind. Die wachsen dann wiederum weiter, bis sie einige Kilometer groß sind. Diese Vorläufer von Planeten nennt man Planetisimale.

Während die Planetisimale also weiter wachsen, kommt nun ein zusätzlicher Faktor ins Spiel, der bei der Bildung von Planeten eine immer größere Rolle spielt: die Gravitation. Die größeren Objekte haben mittlerweile eine so große Masse, dass sie viele kleine Körper wegen ihrer Schwerkraft anziehen. So wachsen die Planetisimale immer schneller.

Die Gravitation sorgt noch für einen weiteren Effekt: Während die Protoplaneten zuvor unregelmäßige Haufen von Geröllbrocken waren und von der Form her eher an Kartoffeln an Planeten erinnerten, erreichen nun immer mehr Objekte eine genügend große Masse, um annähernd kugelrund zu werden. Das bezeichnen Astronomen als „hydrostatisches Gleichgewicht“.

So entstanden zumindest die Gesteinsplaneten im inneren Teil unseres Sonnensystems. Doch hier bildete nur der Staub die Klumpen und wurde zu kleinen Planeten. Mit dem Gas hingegen konnte er nichts anfangen, woran auch die Gravitation nicht viel geändert hat, da die Gase viel zu leicht waren und sofort wieder abgehauen sind. Nur schwerere Moleküle konnten eingefangen werden und später bei einigen der Gesteinsplaneten zu einer Atmosphäre umgewandelt werden.

Weiter außen sah das ganze etwas anders aus. Da wir dort weiter von der frühen Sonne entfernt sind, ist es natürlich viel kälter. Dadurch werden viele chemische Verbindungen, die nah an der Sonne nur gasförmig vorliegen, zu festem Eis. Durch dieses Eis gibt es dort viel mehr Zeug, aus dem Planeten entstehen können, weshalb sie viel schneller als im inneren Sonnensystem wachsen. Dadurch können sie auch die ganzen Gase wie Wasserstoff und Helium, die ja immer noch die häufigsten Elemente in dieser protoplanetaren Scheibe sind, viel schneller an sich binden und da sie auch dadurch immer schwerer werden, bilden sich so gewaltige Atmosphären, dass sie irgendwann fast nur noch aus diesem Gas bestehen. Ich spreche von den Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Die Grenze, ab der das meiste Gas resublimiert, bezeichnen Astronomen übrigens als Schneelinie.

Zwischen Mars und Jupiter befindet sich übrigens noch genügend Material, dass sich vermutlich ein weiterer Planet gebildet hätte, wenn nicht direkt dahinter der gewaltige Jupiter entstanden wäre und mit seiner starken Gravitationskraft die kleinen Gesteinsbrocken beim Wachsen irritiert hätte. Daher kam der Prozess der Planetenentstehung dort auf der Ebene der Planetisimale zum Stillstand und wir können dort heute im sogenannten „Asteroidengürtel“ viele Asteroiden beobachten, die ganz einfach nicht weiter wachsen konnten.

Natürlich ist die Planetenentstehung eigentlich noch deutlich komplizierter und es gibt auch vieles, dass wir noch nicht darüber wissen und das aktuell erforscht wird. Doch im Großen und Ganzen haben wir heute schon eine ganz gute Vorstellung davon, wie unser Sonnensystem entstanden ist.

Quellen: