Wie hat sich Uranus gebildet?

Bei Uranus 'Neigung umkreist der Planet im Wesentlichen die Sonne auf seiner Seite, die Achse seiner Drehung zeigt fast auf die Sonne.

(Bild: © NASA und Erich Karkoschka, U. von Arizona)

Obwohl Planeten Sterne in der Galaxie umgeben, bleibt die Frage, wie sie sich bilden, umstritten. Trotz des Reichtums an Welten in unserem eigenen Sonnensystem sind sich Wissenschaftler immer noch nicht sicher, wie Planeten gebaut werden. Gegenwärtig kämpfen zwei Theorien um die Rolle des Champions.

Die erste und am weitesten verbreitete Kernakkretion funktioniert gut mit der Bildung der terrestrischen Planeten, hat jedoch Probleme mit Riesenplaneten wie Uranus. Die zweite Methode, die Methode der Platteninstabilität, kann für die Entstehung von Riesenplaneten verantwortlich sein.

"Was die Eisriesen von den Gasriesen unterscheidet, ist ihre Entstehungsgeschichte: Während des Kernwachstums hat die erstere [kritische Masse] in einer vollen Gasscheibe nie überschritten", schrieben die Forscher Renata Frelikh und Ruth Murray-Clay in einem Forschungsbericht.

Das Kernakkretionsmodell

Vor ungefähr 4,6 Milliarden Jahren war das Sonnensystem eine Staub- und Gaswolke, die als Solarnebel bekannt ist. Die Schwerkraft kollabierte das Material in sich zusammen, als es sich zu drehen begann und die Sonne in der Mitte des Nebels bildete.

Mit dem Aufgang der Sonne begann das verbleibende Material zusammenzuklumpen. Kleine Partikel zogen sich durch die Schwerkraft zu größeren Partikeln zusammen. Der Sonnenwind fegte leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium aus den näheren Regionen und ließ nur schwere, felsige Materialien zurück, um terrestrische Welten zu erschaffen. Aber weiter entfernt hatten die Sonnenwinde weniger Einfluss auf leichtere Elemente, so dass sie zu Gasriesen wie Uranus verschmelzen konnten. Auf diese Weise wurden Asteroiden, Kometen, Planeten und Monde geschaffen.

Im Gegensatz zu den meisten Gasriesen hat Uranus einen Kern, der eher felsig als gasförmig ist. Der Kern bildete sich wahrscheinlich zuerst und sammelte dann den Wasserstoff, das Helium und das Methan, aus denen die Atmosphäre des Planeten besteht. Wärme aus dem Kern treibt die Temperatur und das Wetter von Uranus an und überwältigt die Wärme der fernen Sonne, die fast 3 Milliarden Kilometer entfernt ist.

Einige Beobachtungen von Exoplaneten scheinen die Kernakkretion als den dominanten Bildungsprozess zu bestätigen. Sterne mit mehr "Metallen" - ein Begriff, den Astronomen für andere Elemente als Wasserstoff und Helium verwenden - haben in ihren Kernen mehr Riesenplaneten als ihre metallarmen Cousins. Laut NASA deutet die Kernakkretion darauf hin, dass kleine felsige Welten häufiger vorkommen sollten als die massereicheren Gasriesen.

Die Entdeckung eines riesigen Planeten mit einem massiven Kern im Jahr 2005, der den sonnenähnlichen Stern HD 149026 umkreist, ist ein Beispiel für einen Exoplaneten, der dazu beigetragen hat, die Argumente für eine Kernakkretion zu stärken.

"Dies ist eine Bestätigung der Kernakkretionstheorie für die Planetenbildung und ein Beweis dafür, dass Planeten dieser Art im Überfluss existieren sollten", sagte Greg Henry in einer Pressemitteilung. Henry, ein Astronom an der Tennessee State University in Nashville, entdeckte die Verdunkelung des Sterns.

2017 plant die Europäische Weltraumorganisation den Start des charakteristischen ExOPlanet-Satelliten (CHEOPS), mit dem Exoplaneten in Größen von Supererden bis Neptun untersucht werden sollen. Das Studium dieser fernen Welten kann helfen, festzustellen, wie sich Planeten im Sonnensystem gebildet haben.

"Im Kernakkretionsszenario muss der Kern eines Planeten eine kritische Masse erreichen, bevor er außer Kontrolle geraten kann", sagte das CHEOPS-Team. "Diese kritische Masse hängt von vielen physikalischen Variablen ab, von denen die wichtigste die Rate der Planetesimalenakkretion ist."

Durch die Untersuchung, wie wachsende Planeten Material ansammeln, wird CHEOPS Einblicke in das Wachstum von Welten geben.

Das Festplatteninstabilitätsmodell

Die Notwendigkeit einer schnellen Bildung für die riesigen Gasplaneten ist jedoch eines der Probleme der Kernakkretion. Laut Modellen dauert der Prozess mehrere Millionen Jahre, länger als die leichten Gase im frühen Sonnensystem verfügbar waren. Gleichzeitig ist das Kernakkretionsmodell mit einem Migrationsproblem konfrontiert, da die Babyplaneten wahrscheinlich in kurzer Zeit in die Sonne spiralförmig werden.

"Riesenplaneten bilden sich in wenigen Millionen Jahren sehr schnell", sagte Kevin Walsh, Forscher am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, gegenüber Space.com. "Das schafft eine zeitliche Begrenzung, da die Gasscheibe um die Sonne nur 4 bis 5 Millionen Jahre hält."

Nach einer relativ neuen Theorie werden Scheibeninstabilität, Staub- und Gasklumpen früh im Leben des Sonnensystems miteinander verbunden. Mit der Zeit verdichten sich diese Klumpen langsam zu einem riesigen Planeten. Diese Planeten können sich schneller bilden als ihre Hauptkonkurrenten, manchmal in nur tausend Jahren, wodurch sie die schnell verschwindenden leichteren Gase einfangen können. Sie erreichen auch schnell eine umlaufbahnstabilisierende Masse, die sie davon abhält, in die Sonne zu marschieren.

Wenn Wissenschaftler weiterhin Planeten im Sonnensystem sowie in der Nähe anderer Sterne untersuchen, werden sie besser verstehen, wie sich Uranus und seine Geschwister gebildet haben.

Kieselakkretion

Die größte Herausforderung für die Kernakkretion ist die Zeit - der Bau massiver Gasriesen schnell genug, um die leichteren Komponenten ihrer Atmosphäre zu erfassen. Jüngste Forschungen darüber, wie kleinere Objekte in Kieselgröße miteinander verschmolzen sind, um Riesenplaneten zu bauen, die bis zu 1000-mal schneller sind als frühere Studien.

"Dies ist das erste Modell, von dem wir wissen, dass Sie mit einer ziemlich einfachen Struktur für den Solarnebel beginnen, aus dem sich Planeten bilden, und mit dem Riesenplanetensystem enden, das wir sehen", so der Studienleiter Harold Levison, ein Astronom am Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, sagte Space.com im Jahr 2015.

2012 schlugen die Forscher Michiel Lambrechts und Anders Johansen von der Universität Lund in Schweden vor, dass winzige Kieselsteine, sobald sie abgeschrieben waren, den Schlüssel zum schnellen Bau von Riesenplaneten darstellten.

"Sie zeigten, dass die übrig gebliebenen Kieselsteine ​​aus diesem Bildungsprozess, die früher als unwichtig angesehen wurden, tatsächlich eine große Lösung für das Problem der Planetenbildung darstellen könnten", sagte Levison.

Levison und sein Team bauten auf dieser Forschung auf, um genauer zu modellieren, wie die winzigen Kieselsteine ​​Planeten bilden könnten, die heute in der Galaxie zu sehen sind. Während frühere Simulationen sowohl große als auch mittelgroße Objekte ihre kieselgroßen Cousins ​​mit einer relativ konstanten Rate verbrauchten, deuten Levisons Simulationen darauf hin, dass die größeren Objekte eher wie Mobber wirkten und Kieselsteine ​​von den mittelgroßen Massen wegschnappten, um viel schneller zu wachsen Bewertung.

"Die größeren Objekte neigen jetzt dazu, die kleineren stärker zu zerstreuen als die kleineren, so dass die kleineren Objekte von der Kieselscheibe verstreut werden", sagte die Co-Autorin der Studie, Katherine Kretke, ebenfalls von SwRI, gegenüber Space.com . "Der größere Kerl schikaniert im Grunde den kleineren, damit er alle Kieselsteine ​​selbst essen und weiter wachsen kann, um die Kerne der Riesenplaneten zu bilden."

Die Akkretion von Kieselsteinen funktioniert eher für die Riesenplaneten als für die terrestrischen Welten. Laut Sean Raymond von der französischen Universität Bordeaux sind die "Kieselsteine" etwas größer und lassen sich viel leichter hinter der Schneegrenze festhalten, der imaginären Linie, an der das Gas kalt genug ist, um zu Eis zu werden.

"Für Kieselsteine ​​ist es definitiv etwas besser, direkt hinter der Schneegrenze zu sein", sagte Raymond gegenüber Space.com.

Während die Kieselakkretion für die Gasriesen gut funktioniert, gibt es für die Eisriesen einige Herausforderungen. Das liegt daran, dass die millimeter- bis zentimetergroßen Partikel äußerst effizient wachsen.

"Sie wachsen so schnell an, dass es für Eisriesenkerne schwierig ist, für einen signifikanten Bruchteil der Lebensdauer der Scheibe bei ungefähr ihren aktuellen Kernmassen zu existieren, während sie eine Gashülle ansammeln", schrieben Frelikh und Murray-Clay.

"Um ein Durchgehen zu vermeiden, müssen sie ihr Wachstum daher zu einem bestimmten Zeitpunkt abschließen, wenn die Gasscheibe teilweise, aber nicht vollständig erschöpft ist."

Das Paar schlug vor, dass der Großteil der Gasakkretion auf den Kernen von Uranus und Neptun mit ihrer Bewegung von der Sonne weg zusammenfiel. Aber was könnte sie dazu bringen, ihr Zuhause im Sonnensystem zu wechseln?

Ein schönes Modell

Ursprünglich dachten Wissenschaftler, dass sich Planeten im selben Teil des Sonnensystems gebildet haben, in dem sie heute leben. Die Entdeckung von Exoplaneten hat die Dinge durcheinander gebracht und gezeigt, dass zumindest einige der massereichsten Objekte migrieren könnten.

Im Jahr 2005 schlug ein in der Zeitschrift Nature veröffentlichtes Trio von Artikeln vor, dass Uranus und die anderen Riesenplaneten in nahezu kreisförmigen Bahnen gebunden waren, die viel kompakter waren als heute. Eine große Scheibe aus Steinen und Eis umgab sie und erstreckte sich bis zum 35-fachen Abstand zwischen Erde und Sonne, direkt hinter Neptuns gegenwärtiger Umlaufbahn. Sie nannten dies das Modell von Nizza, nach der Stadt in Frankreich, in der sie es zum ersten Mal diskutierten. (Das ist ausgesprochen Neese.)

Während die Planeten mit den kleineren Körpern interagierten, zerstreuten sie die meisten von ihnen in Richtung Sonne. Der Prozess veranlasste sie, Energie mit den Objekten zu tauschen und den Saturn, Neptun und Uranus weiter ins Sonnensystem hinauszuschicken. Schließlich erreichten die kleinen Objekte Jupiter, wodurch sie an den Rand des Sonnensystems flogen oder vollständig aus ihm herausflogen.

Die Bewegung zwischen Jupiter und Saturn trieb Uranus und Neptun in noch exzentrischere Bahnen und schickte das Paar durch die verbleibende Eisscheibe. Ein Teil des Materials wurde nach innen geschleudert, wo es während des späten schweren Bombardements gegen die terrestrischen Planeten stürzte. Anderes Material wurde nach außen geschleudert, wodurch der Kuipergürtel entstand.

Als sie sich langsam nach außen bewegten, tauschten Neptun und Uranus Plätze. Schließlich führten Wechselwirkungen mit den verbleibenden Trümmern dazu, dass sich das Paar auf kreisförmigeren Wegen niederließ, als sie ihre aktuelle Entfernung von der Sonne erreichten.

Unterwegs ist es möglich, dass ein oder sogar zwei andere Riesenplaneten aus dem System geworfen wurden. Der Astronom David Nesvorny vom Southwest Research Institute in Colorado hat das frühe Sonnensystem auf der Suche nach Hinweisen modelliert, die zum Verständnis seiner frühen Geschichte führen könnten.

"In den frühen Tagen war das Sonnensystem sehr unterschiedlich, und viele weitere Planeten, vielleicht so massereich wie Neptun, bildeten sich und wurden an verschiedene Orte zerstreut", sagte Nesvorny gegenüber Space.com.

Eine gefährliche Jugend

Das frühe Sonnensystem war eine Zeit gewaltsamer Kollisionen, und Uranus war nicht ausgenommen. Während sowohl die Mondoberfläche als auch Merkur Anzeichen eines Beschusses durch kleinere Felsen und Asteroiden aufweisen, erlitt Uranus offenbar eine signifikante Kollision mit einem erdgroßen Protoplaneten. Infolgedessen wird Uranus auf die Seite gekippt, wobei eine Stange ein halbes Jahr lang in Richtung Sonne zeigt.

Uranus ist der größte der Eisriesen, vielleicht auch, weil er während des Aufpralls einen Teil seiner Masse verloren hat.