Seit Jahrhunderten versuchen Astronomen und Wissenschaftler zu verstehen, wie unsere Sonnensystem gekommen sein. Seit dieser Zeit haben sich zwei Theorien durchgesetzt, die erklären, wie sie sich im Laufe der Zeit gebildet und entwickelt hat. Dies sind die Nebelhypothese und der Schönes Modell , bzw. Während erstere behauptet, dass Sonne und Planeten aus einer großen Staub- und Gaswolke entstanden sind, behauptet letzterer, dass die Riesenplaneten seit ihrer Entstehung gewandert sind.
Dies hat zum Sonnensystem geführt, wie wir es heute kennen. Ein bleibendes Rätsel dieser Theorien ist jedoch, wie der Mars so entstand, wie er ist. Warum ist es zum Beispiel deutlich kleiner als die Erde und unwirtlich für das Leben, wie wir es kennen, wenn alle Anzeichen dafür sprechen, dass es in seiner Größe vergleichbar sein sollte? Entsprechend eine neue studie von einem internationalen Wissenschaftlerteam hätte die Migration der Riesenplaneten den Unterschied ausmachen können.
Seit über einem Jahrzehnt gehen Astronomen davon aus, dass kurz nach der Entstehung des Sonnensystems die Gas- und Eisriesen des äußeren Sonnensystems (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) nach außen zu wandern begannen. Dies ist der Inhalt des Modells von Nizza, das behauptet, dass diese Migration einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Sonnensystems und die Bildung der terrestrische Planeten .
Dieses Modell – benannt nach dem Standort des Observatorium der Côte d'Azur (in Nizza, Frankreich), wo es ursprünglich entwickelt wurde – begann als Evolutionsmodell, das dazu beitrug, die beobachteten Verteilungen kleiner Objekte wie Kometen und Asteroiden zu erklären. Matt Clement, Doktorand am HL Dodge Department of Physics and Astronomy an der University of Oklahoma und Hauptautor des Artikels, erklärte Universe Today per E-Mail:
„Im Modell bildeten sich die Riesenplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) ursprünglich viel näher an der Sonne. Um ihre aktuellen Orbitalpositionen zu erreichen, durchläuft das gesamte Sonnensystem eine Periode der Orbitalinstabilität. Während dieser instabilen Zeit ändern sich Größe und Form der Umlaufbahnen des Riesenplaneten schnell.“
Für ihre Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht wurdeIkarusunter dem Titel ' Marswachstum durch eine frühe riesige Planeteninstabilität gebremst “, erweiterte das Team das Modell von Nizza. Durch eine Reihe dynamischer Simulationen versuchten sie zu zeigen, wie während des frühen Sonnensystems das Wachstum des Mars dank der Bahninstabilitäten der Riesenplaneten gestoppt wurde.
Der Zweck ihrer Studie bestand auch darin, einen Fehler im Nizza-Modell zu beheben, wie die terrestrischen Planeten eine ernsthafte Erschütterung des Sonnensystems hätten überleben können. In der ursprünglichen Version des Nizza-Modells trat die Instabilität der Riesenplaneten einige hundert Millionen Jahre nach der Planetenbildung auf, was mit der Spätes schweres Bombardement – als das innere Sonnensystem von überproportional vielen Asteroiden bombardiert wurde.
Dieser Zeitraum wird durch eine Spitze in der Krateraufzeichnung des Mondes belegt, die aus einer Fülle von Proben der Apollo-Missionen mit ähnlichen geologischen Daten abgeleitet wurde. Wie Clemens erklärte:
„Ein Problem dabei ist, dass es für die terrestrischen Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars) schwierig ist, die heftige Instabilität zu überleben, ohne aus dem Sonnensystem geschleudert zu werden oder miteinander zu kollidieren. Jetzt, da wir bessere, hochauflösende Bilder von Mondkratern und genauere Methoden zur Datierung der Apollo-Proben haben, nehmen die Beweise für einen Anstieg der Mondkraterraten ab. Unsere Studie untersuchte, ob eine Verschiebung der Instabilität früher, während sich die inneren terrestrischen Planeten noch bildeten, ihnen helfen könnte, die Instabilität zu überleben, und auch erklären, warum der Mars im Verhältnis zur Erde so klein ist.“
Zu Clement gesellten sich Nathan A. Kaib, ein Professor für Astrophysik der OU, sowie Sean N. Raymond von der Universität Bordeaux und Kevin J. Walsh vom Southwest Research Institute. Gemeinsam nutzten sie die Rechenressourcen der OU Supercomputing Center for Education and Research (OSCER) und die Supercomputing-Projekt Blue Waters 800 dynamische Simulationen des Modells von Nizza durchzuführen, um zu bestimmen, wie es sich auf den Mars auswirken würde.
Diese Simulationen beinhalteten neuere geologische Beweise von Mars und Erde, die darauf hindeuten, dass die Entstehungszeit des Mars etwa 1/10 der Erdzeit betrug. Dies hat zu der Theorie geführt, dass der Mars als „gestrandeter planetarischer Embryo“ bei der Bildung der inneren Planeten der Sonne zurückgelassen wurde. Wie Prof. Kaib Universe Today per E-Mail erklärte, sollte diese Studie daher testen, wie der Mars als planetarischer Embryo aus der Planetenentstehung hervorgegangen ist:
„Wir haben die „Rieseneinschlagsphase“ der terrestrischen Planetenentstehung (die letzte Phase des Entstehungsprozesses) simuliert. Zu Beginn dieser Phase besteht das innere Sonnensystem (0,5-4 AE) aus einer Scheibe von etwa 100 mond- bis marsgroßen planetarischen Embryonen, eingebettet in ein Meer von viel kleineren, zahlreicheren felsigen Planetesimalen. Im Laufe von 100-200 Millionen Jahren kollidieren die Körper dieses Systems und verschmelzen zu einer Handvoll (typischerweise 2-5) felsiger planetarischer Massenkörper. Normalerweise bauen diese Art von einfachen Anfangsbedingungen Planeten auf marsähnlichen Bahnen auf, die etwa 10x massereicher sind als der Mars. Wenn jedoch der Entstehungsprozess des terrestrischen Planeten durch die Instabilität des Modells von Nizza unterbrochen wird, gehen viele der Planetenbausteine in der Nähe der Marsregion verloren oder werden in die Sonne geworfen. Dies begrenzt das Wachstum marsähnlicher Planeten und erzeugt eine engere Übereinstimmung mit unserem tatsächlichen inneren Sonnensystem.“
Größenvergleich zwischen Erde und Mars. Bildnachweis: NASA
Sie fanden heraus, dass diese überarbeitete Zeitleiste die Ungleichheit zwischen Mars und Erde erklärt. Kurz gesagt, Mars und Erde unterscheiden sich erheblich in Größe, Masse und Dichte, weil die Riesenplaneten sehr früh in der Geschichte des Sonnensystems instabil wurden. Letztendlich war dies der Grund dafür, dass die Erde der einzige lebenserhaltende terrestrische Planet im Sonnensystem wurde und der Mars zu dem kalten, ausgetrockneten und dünn gesättigten Ort wurde, der er heute ist.
Wie Prof. Kaib erklärte, ist dies nicht das einzige Modell zur Erklärung der Disparität zwischen Erde und Mars, aber die Beweise passen alle:
„Ohne diese Instabilität hätte der Mars wahrscheinlich eine Masse gehabt, die näher an der der Erde liegt und wäre ein ganz anderer, vielleicht erdähnlicher Planet im Vergleich zu dem, was er heute ist“, sagte er. „Ich sollte auch sagen, dass dies nicht der einzige Mechanismus ist, der die geringe Masse des Mars erklären kann. Wir wissen jedoch bereits, dass das Modell von Nizza viele Merkmale des äußeren Sonnensystems hervorragend nachbildet, und wenn es zum richtigen Zeitpunkt in der Geschichte des Sonnensystems auftritt, erklärt es am Ende auch unser inneres Sonnensystem.“
Diese Studie könnte auch drastische Auswirkungen auf die Erforschung extrasolarer Systeme haben. Gegenwärtig basieren unsere Modelle für die Entstehung und Entwicklung von Planeten auf dem, was wir aus unserem eigenen Sonnensystem lernen konnten. Indem Wissenschaftler mehr darüber erfahren, wie Gasriesen und terrestrische Planeten wuchsen und ihre aktuellen Umlaufbahnen annahmen, werden sie in der Lage sein, umfassendere Modelle zu erstellen, wie lebenserhaltende Planeten um andere Sterne verschmelzen könnten.
Es würde sicherlich helfen, die Suche nach „erdähnlichen“ Planeten und (dürfen wir zu träumen?) Planeten, die Leben unterstützen, einzugrenzen.
Weiterlesen: Universität von Oklahoma , Ikarus
