AKKRETIONSSCHEIBEN
Planetenentstehung im Schnellverfahren
von Hans Zekl
für astronews.com
3. März 2005

Planetenentstehung ist ein Wettlauf mit der Zeit und eigentlich ist es Astronomen bislang ein Rätsel, wie in den turbulenten Bedingungen um einen jungen Stern Planeten von der mehrfachen Größe des Jupiter entstehen können. Amerikanische Wissenschaftler könnten jetzt mit Hilfe von Computersimulationen einen Ausweg gefunden haben: Sie entdeckten Regionen, in denen Planeten sich relativ schnell bilden können.

Die Ringe im Zentrum dieser Simulation einer Akkretionsscheibe könnten Bereiche sein, in denen sich Planeten ungestört bilden können. Bild: Indiana University

Planeten entstehen in so genannten Akkretionsscheiben um junge Sterne. Doch sind die Verhältnisse dort sehr chaotisch und ihre Entstehung ist ein Wettlauf mit der Zeit. Durch ständige Kollisionen laufen die noch kleinen Planetenkerne Gefahr, wieder zerstört zu werden oder die Scheibe ist schon wieder verschwunden, bevor ein richtiger Planet entstehen konnte. Amerikanische Wissenschaftler von der Indiana University fanden jetzt mit Computersimulationen heraus, dass es dennoch Bereiche gibt, in denen Planeten sich relativ schnell bilden können.

Planeten bleibt nur wenig Zeit, um sich aus einer massereichen Gas- und Staubscheibe um einen jungen Stern zu bilden. Aber offensichtlich reicht das für Objekte aus, die bis zu zehnmal größer als Jupiter sind. Immerhin sind mehr als 130 Planeten um andere Sterne bekannt und die meisten von ihnen sind mindestens so groß wie Jupiter.

Zur Zeit arbeiten die Astrophysiker mit zwei Theorien: die Akkretionstheorie und die Theorie der Scheibeninstabilität. In der Akkretionstheorie ballen sich kleinere Teilchen zu größeren Brocken zusammen. Wenn ihre Anziehungskraft groß genug geworden ist, können sie weiteres Material aus ihrer Umgebung einsammeln und schließlich zu Planeten heranwachsen. Nach diesem Modell könnten in unserem Sonnensystem die Planeten bis Saturn entstanden sein. Allerdings funktioniert sie für Uranus und Neptun nicht mehr. Sie würden 10 bis 100 Millionen Jahre brauchen, bevor sie ihre Endgröße erreichen. Die Staubscheibe um den jungen Stern allerdings ist schon nach wenigen Millionen Jahren verschwunden.

In der zweiten Theorie bilden sich durch Instabilitäten in der Scheibe spiralförmige Strukturen mit dichten Klumpen aus, die in relativ kurzer Zeit zu Planeten mit mehreren Jupitermassen werden können. Allerdings fanden nicht alle Forscherteams mit dieser Theorie die Klumpen. Auch wurde darin nicht die Überlebenswahrscheinlichkeit der Planetenkerne in dieser rauen Umgebung untersucht. Die jungen Planeten sind nämlich auch von anderer Seite bedroht. In ihrem Umfeld gibt es noch viele andere Brocken. Durch nahe Begegnungen können die Planetenkerne in ihre Sonne geschleudert werden oder werden durch Kollisionen wieder zerstört.

Einen Ausweg aus dem Dilemma entdeckten nun Richard Durisen und sein Team von der Indiana University in Bloomington, USA, indem sie ein Szenario aus beiden Theorien vorschlagen. Ihre Modellrechnungen zeigen, wie eine Gasscheibe um den Zentralstern wirbelt. Gelegentlich bilden sich darin Spiralarme aus, in denen das Scheibenmaterial stärker zusammengepresst wird. Darin entstehen nach einiger Zeit noch dichtere Gebiete, die sich ausdehnen. "Solche Gas- und Staubwolken finden die Astronomen um die meisten jungen Sterne. In ihnen entstehen die Planeten," erläutert Durisen. "Wie ein gewaltiger Strudel wirbeln sie um den Stern. Auch unser eigenes Sonnensystem entstand in einer solchen Scheibe."

In der Simulation erscheinen zwischen instabilen und stabilen Gebieten Gasringe, die sich immer weiter verdichten. Wenn sich feste Teilchen darin in der Mitte der Ringe sammeln, kann der Kern eines Planeten viel schneller wachsen. Innerhalb weniger Tausend Jahren wächst dann die Dichte der Materie stark an. Schließlich wirkt der Akkretionsmechanismus. Durch mehrere Effekte sammelt sich das Material in den Ringen immer schneller an und die Planeten wachsen in kurzer Zeit heran.

Damit entschärft sich das Zeitproblem für die großen Planeten. Doch weisen die Astronomen darauf hin, dass noch einige Fragen offen sind, insbesondere bislang nicht berücksichtigte Störeinflüsse.