Seit jeher suchen die Menschen nach der Antwort auf die Entstehung des Universums. Allerdings waren die vorherrschenden Theorien erst in den letzten Jahrhunderten mit der wissenschaftlichen Revolution empirischer Natur. In dieser Zeit, vom 16. bis 18. Jahrhundert, begannen Astronomen und Physiker evidenzbasierte Erklärungen für die Entstehung unserer Sonne, der Planeten und des Universums zu formulieren.
Wenn es um die Entstehung unseres Sonnensystems geht, ist die am weitesten verbreitete Ansicht als bekannt Nebelhypothese . Im Wesentlichen besagt diese Theorie, dass die Sonne, die Planeten und alle anderen Objekte im Sonnensystem vor Milliarden von Jahren aus nebulösem Material entstanden sind. Ursprünglich vorgeschlagen, um den Ursprung des Sonnensystems zu erklären, hat sich diese Theorie zu einer weithin akzeptierten Ansicht darüber entwickelt, wie alle Sternensysteme entstanden sind.
Nebelhypothese:
Nach dieser Theorie begannen die Sonne und alle Planeten unseres Sonnensystems als riesige Wolke aus molekularem Gas und Staub. Dann, vor etwa 4,57 Milliarden Jahren, geschah etwas, das den Kollaps der Wolke verursachte. Dies könnte das Ergebnis eines vorbeiziehenden Sterns oder Stoßwellen einer Supernova gewesen sein, aber das Endergebnis war ein Gravitationskollaps im Zentrum der Wolke.
Durch diesen Zusammenbruch begannen sich Staub- und Gasblasen in dichteren Regionen zu sammeln. Da die dichteren Regionen immer mehr Materie anzogen, führte die Impulserhaltung zu einer Rotation, während ein zunehmender Druck zu einer Erwärmung führte. Der größte Teil des Materials endete in der Mitte in einer Kugel, während der Rest zu einer Scheibe flach wurde, die ihn umkreiste. Während die Kugel in der Mitte die Sonne bildete, formte sich der Rest des Materials in die protoplanetare Scheibe .
Die Planeten entstanden durch Akkretion aus dieser Scheibe, in der Staub und Gas zusammengezogen wurden und sich zu immer größeren Körpern verschmolzen. Aufgrund ihrer höheren Siedepunkte könnten näher an der Sonne nur Metalle und Silikate in fester Form existieren, und diese würden schließlich die terrestrischen Planeten von bilden Quecksilber , Venus , Erde , und März . Da metallische Elemente nur einen sehr kleinen Teil des Sonnennebels ausmachten, konnten die terrestrischen Planeten nicht sehr groß werden.
Im Gegensatz dazu sind die Riesenplaneten ( Jupiter , Saturn , Uranus , und Neptun ) bildete sich jenseits des Punktes zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, wo das Material kühl genug ist, damit flüchtige eisige Verbindungen fest bleiben (d. h. die Frostlinie ). Das Eis, das diese Planeten bildete, war reichlicher als die Metalle und Silikate, die die terrestrischen inneren Planeten bildeten, wodurch sie massiv genug anwachsen konnten, um große Atmosphären aus Wasserstoff und Helium einzufangen. Übrig gebliebene Trümmer, die nie zu Planeten wurden, sammelten sich in Regionen wie dem Asteroidengürtel , Cooper Gürtel , und Oort Cloud .
Künstlerische Darstellung des frühen Sonnensystems, wo die Kollision zwischen Partikeln in einer Akkretionsscheibe zur Bildung von Planetesimalen und schließlich Planeten führte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Innerhalb von 50 Millionen Jahren wurden der Druck und die Dichte von Wasserstoff im Zentrum des Protosterns groß genug, um die thermonukleare Fusion zu beginnen. Temperatur, Reaktionsgeschwindigkeit, Druck und Dichte stiegen bis hydrostatisches Gleichgewicht wurde erreicht. An diesem Punkt wurde die Sonne zu einem Hauptreihenstern. Sonnenwind von der Sonne schuf die Heliosphäre und fegte das restliche Gas und den Staub von der protoplanetaren Scheibe in den interstellaren Raum, wodurch der planetarische Entstehungsprozess beendet wurde.
Geschichte der Nebelhypothese:
Die Idee, dass das Sonnensystem aus einem Nebel entstand, wurde erstmals 1734 vom schwedischen Wissenschaftler und Theologen Emanual Swedenborg vorgeschlagen. Immanuel Kant, der mit Swedenborgs Werk vertraut war, entwickelte die Theorie weiter und veröffentlichte sie in seinemUniverselle Naturgeschichte und Theorie des Himmels(1755). In dieser Abhandlung argumentierte er, dass Gaswolken (Nebel) langsam rotieren, aufgrund der Schwerkraft allmählich kollabieren und abflachen und Sterne und Planeten bilden.
Ein ähnliches, aber kleineres und detaillierteres Modell wurde von Pierre-Simon Laplace in seiner Abhandlung vorgeschlagenAusstellung des Systems duWelt(Auslegung des Systems der Welt), die er 1796 veröffentlichte. Laplace stellte die Theorie auf, dass die Sonne ursprünglich eine ausgedehnte heiße Atmosphäre im gesamten Sonnensystem hatte und dass diese „Protosternwolke“ abkühlte und sich zusammenzog. Als sich die Wolke schneller drehte, schleuderte sie Material ab, das sich schließlich zu den Planeten verdichtete.
Der Sh 2-106 Nebel (oder kurz S106), eine kompakte Sternentstehungsregion im Sternbild Cygnus (Der Schwan). Bildnachweis: NASA/ESA
Das Laplace-Nebelmodell wurde im 19. Jahrhundert weitgehend akzeptiert, hatte jedoch einige ziemlich ausgeprägte Schwierigkeiten. Das Hauptproblem war die Drehimpulsverteilung zwischen Sonne und Planeten, die das Nebelmodell nicht erklären konnte. Darüber hinaus behauptete der schottische Wissenschaftler James Clerk Maxwell (1831 – 1879), dass unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten zwischen den inneren und äußeren Teilen eines Rings keine Kondensation von Material ermöglichen könnten.
Es wurde auch vom Astronomen Sir David Brewster (1781 – 1868) abgelehnt, der feststellte, dass:
„Diejenigen, die an die Nebeltheorie glauben, halten es für sicher, dass unsere Erde ihre feste Materie und ihre Atmosphäre aus einem Ring ableitete, der aus der Sonnenatmosphäre geschleudert wurde, der sich anschließend zu einer festen terraquen Kugel zusammenzog, aus der der Mond von derselben geschleudert wurde Prozess … [unter einer solchen Sicht] muss der Mond notwendigerweise Wasser und Luft aus den wässrigen und oberirdischen Teilen der Erde entfernt haben und muss eine Atmosphäre haben.“
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war das Laplace-Modell in Ungnade gefallen, was Wissenschaftler dazu veranlasste, nach neuen Theorien zu suchen. Doch erst in den 1970er Jahren entstand die moderne und am weitesten verbreitete Variante der Nebelhypothese – das Sonnennebelscheibenmodell (SNDM). Das verdanken wir dem sowjetischen Astronomen Victor Safronov und seinem BuchEvolution der protoplanetaren Wolke und Entstehung der Erde und der Planeten(1972).In diesem Buch wurden fast alle großen Probleme des Planetenentstehungsprozesses formuliert und viele gelöst.
Das SNDM-Modell war beispielsweise erfolgreich bei der Erklärung des Auftretens von Akkretionsscheiben um junge stellare Objekte. Verschiedene Simulationen haben auch gezeigt, dass die Materialanlagerung in diesen Scheiben zur Bildung einiger erdgroßer Körper führt. Somit gilt die Entstehung der terrestrischen Planeten heute als fast gelöstes Problem.
Während die SNDM ursprünglich nur auf das Sonnensystem angewendet wurde, wurde die SNDM später von Theoretikern als im gesamten Universum eingesetzt angesehen und wurde verwendet, um die Entstehung vieler der Exoplaneten zu erklären, die in unserer Galaxie entdeckt wurden.
Probleme:
Obwohl die Nebeltheorie weithin akzeptiert ist, gibt es immer noch Probleme damit, die Astronomen nicht lösen konnten. Beispielsweise gibt es das Problem der gekippten Achsen. Nach der Nebeltheorie sollten alle Planeten um einen Stern relativ zur Ekliptik gleich geneigt sein. Aber wie wir gelernt haben, haben die inneren und äußeren Planeten radikal unterschiedliche axiale Neigungen.
Während die inneren Planeten von fast 0 Grad Neigung reichen, andere (wie Erde und Mars) deutlich geneigt sind (23,4° bzw. 25°), haben äußere Planeten Neigungen, die von Jupiters geringer Neigung von 3,13° bis zu Saturns und Neptuns mehr reichen ausgeprägte Neigungen (26,73° und 28,32°), zu Uranus' extremer Neigung von 97,77°, bei der seine Pole konsequent der Sonne zugewandt sind.
Eine Liste potenziell bewohnbarer Exoplaneten, mit freundlicher Genehmigung von The Planetary Habitability Laboratory. Bildnachweis: phl.upr.edu
Auch die Untersuchung extrasolarer Planeten hat es Wissenschaftlern ermöglicht, Unregelmäßigkeiten zu bemerken, die Zweifel an der Nebelhypothese aufkommen lassen. Einige dieser Unregelmäßigkeiten haben mit der Existenz von „heißen Jupitern“ zu tun, die mit Perioden von nur wenigen Tagen eng um ihre Sterne kreisen. Astronomen haben die Nebelhypothese angepasst, um einige dieser Probleme zu berücksichtigen, müssen jedoch noch alle abgelegenen Fragen ansprechen.
Leider scheinen die Fragen, die mit der Herkunft zu tun haben, am schwierigsten zu beantworten. Gerade wenn wir glauben, eine zufriedenstellende Erklärung zu haben, bleiben die lästigen Probleme, die sie einfach nicht erklären kann. Zwischen unseren aktuellen Modellen der Sternen- und Planetenentstehung und der Geburt unseres Universums haben wir jedoch einen langen Weg zurückgelegt. Wenn wir mehr über benachbarte Sternensysteme erfahren und mehr vom Kosmos erforschen, werden unsere Modelle wahrscheinlich weiter reifen.
Wir haben hier bei Universe Today viele Artikel über das Sonnensystem geschrieben. Hier ist Das Sonnensystem , Hat unser Sonnensystem mit einem kleinen Knall begonnen? , und Was war hier vor dem Sonnensystem?
Weitere Informationen finden Sie unter der Ursprung des Sonnensystems und wie die Sonne und die Planeten entstanden sind .
Astronomy Cast hat auch eine Episode zu diesem Thema – Folge 12: Woher kommen Babystars?
