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SONNENSYSTEM
Chaotische Zustände im frühen Sonnensystem
Redaktion / idw / Pressemitteilung der ETH Zürich
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25. Mai 2022

Durch die genaue Analyse von Meteoriten konnten Forschende nun die Frühgeschichte des Sonnensystem präziser rekonstruieren als zuvor. So stellten sie fest, dass in der Anfangszeit chaotische Zustände herrschten und es zu heftigen Kollisionen zwischen Asteroiden kam. Auslöser dafür dürfte das Verschwinden des solaren Nebels gewesen sein, aus dem die Sonne einst entstanden ist.

Protoplanetare Scheibe

Künstlerische Darstellung einer Kollision zwischen zwei Asteroiden in einer protoplanetaren Wolke um einen jungen Stern. Bild: NASA / JPL-Caltech [Großansicht]

Bevor sich die Erde und die anderen Planeten gebildet hatten, war die junge Sonne von kosmischem Gas und Staub umgeben. Aus dem Staub bildeten sich dann Gesteinsbrocken von unterschiedlicher Größe. Viele wurden zu Bausteinen für die späteren Planeten. Doch manche dieser Brocken wurden nie Teil eines Planeten und umkreisen die Sonne noch heute, etwa als Teil des Asteroidengürtels. Forschende der ETH Zürich und des Schweizer Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS analysierten nun in Zusammenarbeit mit weiteren Universitäten Eisenproben aus Kernen von Asteroiden, die als Meteoriten auf die Erde gefallen sind. Diese Analysen lieferten neue Informationen über einen Teil der Frühgeschichte unseres Sonnensystems, als sich die Planeten bildeten.

"Frühere wissenschaftliche Studien zeigten, dass Asteroiden im Sonnensystem seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren fast unverändert geblieben sind", erklärt Alison Hunt, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der ETH Zürich. "Sie sind daher eine Art Archiv, in dem die Bedingungen des frühen Sonnensystems erhalten sind." Doch um dieses Archiv zu entschlüsseln, mussten die Forschenden das außerirdische Material gründlich aufbereiten und analysieren. Das Team entnahm Proben von 18 verschiedenen Eisenmeteoriten, die einst Teil des metallischen Kerns von Asteroiden waren. Für ihre Analyse isolierten sie aus den Proben die Elemente Palladium, Silber und Platin. Mithilfe eines Massenspektrometers untersuchten sie danach, wie häufig verschiedene Isotope dieser Elemente in den Proben vorkommen.

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In den ersten Millionen von Jahren unseres Sonnensystems heizten sich die metallischen Asteroidkerne durch den radioaktiven Zerfall von Isotopen auf. Während der nachfolgenden Abkühlung reicherte sich darin ein spezifisches Silber-​Isotop an, das ebenfalls durch den radioaktiven Zerfall entstanden ist. Indem die Forschenden die gegenwärtigen Silber-​Isotopen-Verhältnisse in den Eisenmeteoriten maßen, konnten sie bestimmen, wann und wie schnell sich die Asteroidenkerne abgekühlt hatten.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Abkühlung rasch erfolgte und wahrscheinlich durch heftige Kollisionen zwischen den Himmelskörpern verursacht wurde. Durch die Kollisionen brach der isolierende äußere Gesteinsmantel der Asteroiden ab, so dass die Metallkerne der Kälte des Weltraums ausgesetzt wurden. Dass es zu einer schnellen Abkühlung kam, wurde bereits durch frühere Studien angedeutet, die ebenfalls auf Silber-​Isotopen-Messungen beruhten. Allerdings blieb der Zeitpunkt der Kollisionen unklar.

"Unsere zusätzlichen Messungen von Platin-​Isotopen erlaubten uns, die Messungen der Silber-​Isotope zu korrigieren, da diese durch die kosmische Strahlung verzerrt wurden. Dadurch konnten wir den Zeitpunkt der Zusammenstöße genauer als je zuvor datieren", sagt Hunt. "Zu unserer Überraschung wurden alle von uns untersuchten Asteroidenkerne fast gleichzeitig der Kälte des Weltalls ausgesetzt, das heißt innerhalb eines Zeitraums von 7,8 bis 11,7 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems." Die nahezu gleichzeitigen Zusammenstöße der verschiedenen Asteroiden deuten darauf hin, dass es sich bei dieser Zeitperiode um eine sehr unruhige Phase des Sonnensystems gehandelt haben muss. "Alles scheint damals zusammengeprallt zu sein", sagt Hunt. "Und wir wollten wissen, warum."

Um die Frage zu beantworten, kombinierte das Team die Messergebnisse mit neuen, ausgeklügelten Computersimulationen zur Entwicklung des Sonnensystems. "Die unruhige Frühphase des Sonnensystems wurde vermutlich durch die Auflösung des sogenannten solaren Nebels verursacht", so Maria Schönbächler, Professorin für Kosmochemie an der ETH Zürich. "Dieser Sonnennebel ist der Überrest an Gas der kosmischen Wolke, aus der die Sonne entstanden ist. Während weniger Millionen Jahre umkreiste er die junge Sonne, bis er von Sonnenwind und -​strahlung weggeblasen wurde." Solange der Nebel vorhanden war, bremste er die Objekte, die um die Sonne kreisten, ähnlich wie der Luftwiderstand ein fahrendes Auto abbremst. Nachdem der Nebel verschwunden war, so vermuten die Forschenden, führte der fehlende Widerstand des Nebels dazu, dass sich die Asteroiden beschleunigten und miteinander kollidieren konnten.

"Unsere Studie macht deutlich, wie wir dank verbesserter Labormessverfahren wichtige Prozesse im frühen Sonnensystem rekonstruieren können. Sie geben uns zum Beispiel Hinweise, wann der Sonnennebel verschwunden war. Planeten wie die Erde befanden sich zu dieser Zeit noch im Entstehungsprozess. Letztlich können wir so besser verstehen, wie unsere eigenen Planeten entstanden sind, aber auch Einblicke in andere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gewinnen", so Schönbächler.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature Astronomy erschienen ist.

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