PLANETENENTSTEHUNG
Durch Strömungsinstabilitäten zu richtigen Planeten
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Basel
astronews.com
18. März 2026

Wie fügt sich feiner Staub zu Bausteinen zusammen, aus denen schließlich ganze Planeten wie unsere Erde entstehen? Ein Forschungsteam hat bei Parabelflügen in der Schwerelosigkeit den ersten experimentellen Nachweis erbracht, dass ein wichtiger physikalischer Prozess auch unter Bedingungen auftritt, wie sie in Regionen herrschen, in denen Planeten entstehen.

Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe. Bild: ESO / L. Calçada  [Großansicht]

Planeten entstehen in sogenannten protoplanetaren Scheiben – riesigen Scheiben aus Gas und Staub, die um sehr junge Sterne kreisen. Auf dem Weg von feinsten Staubkörnern bis hin zu voll ausgebildeten Planeten laufen verschiedene physikalische Prozesse ab. Einerseits kollidieren winzige Staubpartikel und verklumpen elektrostatisch, bis sie einige Millimeter groß sind. Andererseits kollidieren, verschmelzen und verklumpen Planetesimale, also felsige oder eisige Körper mit Größen von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern. Diese wachsen langsam zu felsigen oder eisigen Planeten heran, wobei die am schnellsten wachsenden schließlich Gas ansammeln und zu Gasriesen werden.

Für Gesteinsbrocken von Zentimetergröße bis hin zu etwa hundert Metern stoßen die meisten Planetenbildungsszenarien auf eine Art "Barriere": Ein weiteres Wachstum wird verhindert, denn in diesem Größenbereich neigen die Klumpen dazu, bei Kollisionen aneinander abzuprallen, zu zerbrechen oder sogar zu verdampfen, wenn sie zu nahe an ihren Stern herandriften. Diese Barriere gibt der Wissenschaft seit Jahrzehnten Rätsel auf. Seit der Jahrtausendwende haben theoretische Modelle einen zusätzlichen Mechanismus postuliert, der diese Lücke füllen könnte. Da sich das Gas-Staub-Gemisch in den protoplanetaren Scheiben wie eine Flüssigkeit verhält, können sich darin verschiedene hydrodynamische Instabilitäten entwickeln. Diese führen dazu, dass der Staub zu dichteren Wolken verklumpt, aus denen schließlich die größten Klumpen zu Planetesimalen werden.

Jede dieser Instabilitäten tritt unter bestimmten Bedingungen und in verschiedenen Regionen der Scheibe auf und kann diese auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Eine dieser Instabilitäten, von der vermutet wird, dass sie eine wesentliche Rolle spielt, ist die Scherströmungsinstabilität. Sie entsteht an der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften – in diesem Fall unterschiedlicher Geschwindigkeit und Dichte. Ob solche Scherströmungsinstabilitäten unter den extrem dünnen Gasbedingungen in protoplanetaren Scheiben tatsächlich auftreten, wurde jedoch noch nie experimentell nachgewiesen.

Unter der Leitung von Dr. Holly L. Capelo von der Abteilung für Weltraumforschung und Planetologie am Physikalischen Institut der Universität Bern hat ein Forschungsteam nun gezeigt, dass sich Scherströmungsinstabilitäten bilden können – sogar in extrem dünnem Gas. Der Beweis gelang mithilfe eines einzigartigen Experiments, das die Mikrogravitationsbedingungen bei Parabelflügen, auch Zero-G-Flüge genannt, ausnutzt. Scherströmungsinstabilitäten können je nach Bedingungen die Verklumpung von Staub zu Planetesimalen fördern oder behindern. Um sie zu untersuchen begann das Team 2020 mit der Entwicklung des TEMPus-VoLA-Experiments, in dessen Zentrum ein einzigartiges Instrument steht. Finanziert vom NCCR PlanetS und vom Swiss Space Office wurde es an der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich und der ETH Zürich entworfen und gebaut.

Das Instrument ist mit Hochgeschwindigkeitskameras ausgestattet, die das Verhalten von Staubpartikeln in einem extrem dünnen Gas unter Vakuumbedingungen verfolgen. Es wurde speziell für Parabelflüge entwickelt, die Mikrogravitation bieten. "Auf der Erde beeinflusst die Schwerkraft das Verhalten von Staub und Gas", erklärt Prof. Lucio Mayer von der Universität Zürich. "Nur unter Bedingungen, die die Abwesenheit von Schwerkraft simulieren, können wir ein extrem verdünntes Strömungsregime untersuchen, das den Gas- und Staubscheiben ähnelt, die um junge Sterne kreisen."

Während Parabelflügen folgt ein speziell angepasstes Flugzeug einer Flugbahn, auf der es wiederholt in einem Winkel von etwa 45 Grad aufsteigt und abtaucht. Jede Tauchphase bietet etwa 20 Sekunden lang Schwerelosigkeit, während der Steigflug eine stärkere Schwerkraft als auf der Erde simuliert. Während mehrerer Flugkampagnen des UZH Space Hub und der Europäischen Weltraumorganisation hat das Team die Bedingungen des Experiments systematisch verfeinert und variiert, um zu testen, wann die Scherströmung ausgelöst wird. "Wir haben also die Bedingungen nachgestellt, die in den planetenbildenden Regionen protoplanetarer Scheiben herrschen, und konnten zeigen, dass diese theoretisch vorgeschlagene Scherströmungsinstabilität nicht nur ein mathematisches Konstrukt ist, sondern tatsächlich auftreten kann", erklärt Capelo.

 Jedoch bieten Parabelflüge nur sehr kurze Phasen der Schwerelosigkeit. "Sobald die Instabilität einsetzt, stellen wir fest, dass sich charakteristische Muster in der Strömung des Materials herausbilden. Die begrenzte Dauer der Schwerelosigkeit verhindert jedoch, dass wir verfolgen können, wie sich diese Strukturen zu voll entwickelter Turbulenz weiterentwickeln", erklärt Capelo. Das Team arbeitet daher an einer fortschrittlicheren Version des Experiments für den Einsatz auf einer Raumstation wie der Internationalen Raumstation (ISS). Dort ließe sich die Entstehung und Entwicklung der Turbulenzen über deutlich längere Zeiträume in Schwerelosigkeit studieren – ein weiteres wichtiges Puzzleteil im Verständnis der Planetenentstehung.

Zu den Ursprüngen des Sonnensystems Um zu verstehen, wie sich Planetensysteme bilden, bedient sich die Forschung verschiedener Ansätze. Mit modernen Teleskopen lassen sich protoplanetare Scheiben beobachten, die einen Stern umkreisen, und durch den Vergleich von Scheiben unterschiedlichen Alters können ihre Eigenschaften und ihre Entwicklung bestimmt werden. Auf der theoretischen Seite beschreiben Computersimulationen mathematisch und physikalisch die Scheibenentwicklung und Planetenbildung. Keine dieser Simulationen ist jedoch in der Lage, Scheiben mit einer so hohen Auflösung zu untersuchen, dass die kleinsten Strukturen darin sichtbar werden.

"In unserem Sonnensystem zeugen Kometen und Asteroiden von der Frühphase unseres Systems und liefern Hinweise auf die Zusammensetzung und Struktur der Planetesimale, aber wir können ihre frühe Entwicklung noch nicht direkt untersuchen", sagt Dr. Antoine Pommerol von der Universität Bern. "Nur Experimente können diese Wissenslücke schließen und die entscheidenden Details der Staub- und Gasbewegung auf so kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen aufdecken, die eben nicht direkt beobachtet werden können."

Das neue Experiment liefert nicht nur eine direkte Bestätigung dafür, dass ein seit langem theoretisiertes Phänomen unter protoplanetaren scheibenähnlichen Bedingungen auftreten kann, es werde auch dazu beitragen, theoretische Modelle zu verbessern und Simulationen zu verfeinern. "Dies wiederum hilft uns, das Gesamtbild der Entstehung von Planetensystemen besser zu verstehen – und letztlich wird es dazu beitragen zu erklären, wie unser Sonnensystem und die Erde selbst vor Milliarden von Jahren aus einer Wolke aus Staub und Gas entstanden sind", so Capelo.

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Communications Physics veröffentlicht.