Drehen Sie die kosmische Uhr einige Milliarden Jahre zurück und unser Sonnensystem sah ganz anders aus als heute. Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren schien die junge Sonne ähnlich wie heute, obwohl sie etwas kleiner war. Anstatt von Planeten umgeben zu sein, war es in eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub eingebettet. Diese Scheibe wird als protoplanetare Scheibe bezeichnet und ist der Ort, an dem sich die Planeten schließlich gebildet haben.
Es gab eine auffällige Lücke in der protoplanetaren Scheibe des frühen Sonnensystems, zwischen dem heutigen Mars und Jupiter und dem heutigen Asteroidengürtel. Was genau die Lücke verursacht hat, ist ein Rätsel, aber Astronomen glauben, dass dies ein Zeichen für die Prozesse ist, die die Planetenentstehung steuerten.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern hat ein Papier veröffentlicht, das die Entdeckung dieser uralten Lücke skizziert. Der Hauptautor ist Cauê Borlina, ein Doktor der Planetenwissenschaften. Student am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Der Titel der Arbeit lautet „ Paläomagnetische Beweise für eine Scheibenunterstruktur im frühen Sonnensystem .“ Es ist in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Dank Einrichtungen wie dem Atacama Large Millimeter/Sub-Millimeter-Array (ALMA) werden Astronomen immer besser darin, jüngere Sonnensysteme zu betrachten, die immer noch protoplanetare Scheiben haben und immer noch Planeten bilden. Sie haben oft auffällige Lücken und Ringe, die auf die Bildung von Planeten hinweisen. Doch wie genau das alles funktioniert, ist noch ein Rätsel.
„In den letzten zehn Jahren haben Beobachtungen gezeigt, dass Hohlräume, Lücken und Ringe in Scheiben um andere junge Sterne üblich sind“, sagt Benjamin Weiss, Co-Autor der Studie und Professor für Planetenwissenschaften am Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences des MIT ( EAPS). „Dies sind wichtige, aber kaum verstandene Signaturen der physikalischen Prozesse, durch die sich Gas und Staub in die junge Sonne und die jungen Planeten verwandeln.“
Dieses ALMA-Bild der protoplanetaren Scheibe um den nahen jungen Stern TW Hydrae zeigt die Ringe und Lücken in jungen Scheiben. Bildnachweis: S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Der Beweis für eine Lücke in der protoplanetaren Scheibe unseres eigenen Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren stammt aus der Erforschung von Meteoriten.
Die Magnetfelder des Sonnensystems hatten einen Einfluss auf die Struktur von Meteoriten. Der Paläomagnetismus formte die winzigen Gesteinsbrocken in der protoplanetaren Scheibe, die Chondren genannt werden. Chondrulen sind geschmolzene oder teilweise geschmolzene Stücke runden Gesteins, die zu einer Meteoritenart namens Chondrite akkretiert wurden. Und Chondrite gehören zu den ältesten Gesteinen des Sonnensystems.
Als die Chondren abkühlten, hielten sie eine Aufzeichnung der magnetischen Felder zu dieser Zeit. Diese Magnetfelder ändern sich im Laufe der Zeit, wenn sich die protoplanetare Scheibe entwickelt. Die Orientierung der Elektronen in den Chondren ist je nach Art des jeweiligen Magnetfeldes unterschiedlich. Zusammengenommen erzählen all diese Chondren in all diesen Chondriten eine Geschichte.
Dies ist ein Bild eines Chondrit namens NWA 869 (Nordwestafrika 869), der im Jahr 2000 in der Sahara gefunden wurde. In der Schnittfläche sind sowohl Metallkörner als auch Chondren sichtbar. Bildnachweis: Von H. Raab (Benutzer: Vesta) – Eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=226918
In dieser Studie analysierte die Gruppe Chondren von zwei kohlenstoffhaltigen Meteoriten, die in der Antarktis entdeckt wurden. Sie verwendeten ein Gerät namens SQUID oder Scanning supraleitendes Quanteninterferenzgerät. TINTENFISCH ist ein hochempfindliches, hochauflösendes Magnetometer, das für geologische Proben verwendet wird. Das Team verwendete SQUID, um das uralte ursprüngliche Magnetfeld für jede Chondrule in den Meteoriten zu bestimmen.
Die Studie basiert auch auf einem Phänomen namens isotopische Dichotomie . Zwei separate Familien von Meteoriten sind auf die Erde gefallen, jede mit einer anderen Isotopenzusammensetzung, und Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass sich die beiden Familien zu unterschiedlichen Zeiten und an unterschiedlichen Orten im frühen Sonnensystem gebildet haben müssen. Die beiden Arten werden als kohlenstoffhaltig (CC) und nicht kohlenstoffhaltig (NC) bezeichnet. CC-Meteoriten enthalten wahrscheinlich Material aus dem äußeren Sonnensystem, während NC-Meteoriten wahrscheinlich Material aus dem inneren Sonnensystem enthalten. Einige Meteoriten enthalten beide Isotopen-Fingerabdrücke, aber das ist sehr selten.
Die beiden Meteoriten, die das Team untersuchte, sind beide CC-Typen aus dem äußeren Sonnensystem. Als sie sie analysierten, stellten sie fest, dass die Chondren stärkere Magnetfelder zeigten als NC-Meteoriten, die sie zuvor analysiert hatten.
Dies steht im Gegensatz zu dem, was Astronomen glauben, dass es in einem jungen Sonnensystem passiert. Während sich ein junges System entwickelt, erwarten Wissenschaftler, dass die Magnetfelder mit zunehmender Entfernung von der Sonne abklingen. Magnetische Stärke kann in Mikroteslas genannten Einheiten gemessen werden, und die CC-Chondren zeigten ein Feld von etwa 100 Mikrotesla, während NC-Chondren eine Stärke von nur 50 Mikrotesla aufweisen. Zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde beträgt heute etwa 50 Mikrotesla.
Das Magnetfeld zeigt an, wie ein Sonnensystem Material ansammelt. Je stärker das Feld ist, desto mehr Material kann es anziehen. Die starken Magnetfelder, die in den Chondren der CC-Meteoriten sichtbar sind, zeigen, dass das äußere Sonnensystem mehr Material anzog als der innere Bereich, was an den Größen der Planeten ersichtlich ist. Die Autoren dieses Papiers kamen zu dem Schluss, dass dies ein Beweis für eine große Lücke ist, die irgendwie verhindert, dass Material in das innere Sonnensystem strömt.
„Lücken sind in protoplanetaren Systemen üblich, und wir zeigen jetzt, dass wir in unserem eigenen Sonnensystem eine hatten“, sagt Borlina. „Dies gibt die Antwort auf diese seltsame Dichotomie, die wir bei Meteoriten sehen, und liefert Beweise dafür, dass Lücken die Zusammensetzung von Planeten beeinflussen.“
All dies verbindet sich zu robusten Beweisen für eine große, ungeklärte Lücke im frühen Sonnensystem.
ALMAs hochauflösende Bilder von nahegelegenen protoplanetaren Scheiben, die Ergebnisse des Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) sind. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Jupiter ist bei weitem der massereichste Planet, daher ist er ein guter Ausgangspunkt, um zu verstehen, wie sich all dies in unserem eigenen Sonnensystem abgespielt hat. Als Jupiter wuchs, könnte seine starke Schwerkraft eine Rolle gespielt haben. Es könnte Gas und Staub vom inneren Sonnensystem in Richtung der Außenbezirke geschwemmt haben und eine Lücke zwischen ihm und dem Mars in der sich entwickelnden Scheibe hinterlassen.
Eine andere mögliche Erklärung stammt von der Scheibe selbst. Frühe Scheiben werden durch ihre eigenen starken Magnetfelder geformt. Wenn diese Felder miteinander interagieren, können sie starke Winde erzeugen, die Material verdrängen und eine Lücke erzeugen können. Die Gravitation von Jupiter und die Magnetfelder im Protoplaneten könnten sich kombiniert haben, um die Lücke zu erzeugen.
Aber was die Lücke verursacht hat, ist nur eine Frage. Die andere Frage ist, welche Rolle hat es gespielt? Wie hat es seit seiner Entstehung vor über vier Milliarden Jahren alles mitgeprägt? Laut dem Papier könnte die Lücke selbst als unpassierbare Barriere gewirkt haben, die verhinderte, dass Material von beiden Seiten interagiert. Auf der Innenseite der Lücke befinden sich die terrestrischen Planeten und auf der Außenseite der Lücke befinden sich die Gaswelten.
„Es ist ziemlich schwer, diese Lücke zu überwinden, und ein Planet würde viel externes Drehmoment und Schwung benötigen“, sagte Hauptautor Cauê Borlina in a Pressemitteilung . „Dies liefert also den Beweis, dass die Entstehung unserer Planeten im frühen Sonnensystem auf bestimmte Regionen beschränkt war.“
Mehr:
- Pressemitteilung: Wissenschaftler finden Hinweise darauf, dass das frühe Sonnensystem eine Kluft zwischen seinen inneren und äußeren Regionen aufwies
- Veröffentlichte Forschung: Paläomagnetische Beweise für eine Scheibenunterstruktur im frühen Sonnensystem
- Universum heute: Protoplanetare Scheiben werfen mehr Material ab, als in Planeten verwandelt wird
