Planetenentstehung & die Schneegrenze
- Flattened gas-and-dust disks around young starsnoch nicht geprüft
- The snow line dividing rock from gas giantsnoch nicht geprüft
- Hot Jupiters, migration, and the Nice modelnoch nicht geprüft
- ALMA, PDS 70, and JWST imaging formationnoch nicht geprüft
Pierre-Simon Laplace schlug 1796 in seiner Exposition du système du monde vor, das Sonnensystem sei aus einem langsam rotierenden Gasnebel hervorgegangen: Der Nebel kollabierte unter der eigenen Schwerkraft, flachte zu einer Scheibe ab und verdichtete sich zu Sonne und Planeten. Spekulativ war das allemal — die Beobachtungen, an denen sich das hätte prüfen lassen, kamen erst zwei Jahrhunderte später —, aber die Grundform stimmte. 2014 löste das Radiointerferometer ALMA in Chile die protoplanetare Scheibe um den jungen Stern HL Tau auf und zeigte genau das: eine flache Staubscheibe von Hunderten AE Durchmesser, durchzogen von dunklen konzentrischen Lücken, in denen entstehende Planeten ihre Bahnen leerfegten. Das Bild hält seither: Planetensysteme entstehen in flachen Gas- und Staubscheiben um junge Sterne, binnen weniger Millionen Jahre.
Die wichtigste Bedingung überhaupt ist die Schneegrenze: der Radius, jenseits dessen die Scheibe kalt genug ist, dass Wasser als festes Eis ausfriert, statt Dampf zu bleiben. Im frühen Sonnensystem lag sie bei etwa 3 AE. Innerhalb davon konnten nur refraktäre Minerale — Silikate, Eisen — feste Körner bilden, vielleicht 1 % der Scheibenmasse: wenig Baumaterial, und genau deshalb blieben die inneren Planeten klein und steinig. Jenseits der Schneegrenze kamen gefrorene flüchtige Stoffe hinzu und steuerten einige Prozent mehr Festmasse bei; das größere Reservoir ließ Kerne rasch auf rund zehn Erdmassen anwachsen — groß genug, um das umgebende Wasserstoff- und Heliumgas an sich zu ziehen, bevor die Scheibe fortgeblasen war, vielleicht 5–10 Millionen Jahre nach dem Kollaps. Draußen entstehen Gasriesen, drinnen Gesteinswelten: Der Bau des Sonnensystems ist der Abdruck einer einzigen geometrischen Linie in der Scheibe.
Bei Laplace entstanden die Planeten dort, wo sie heute stehen. Die Hot Jupiters — jupitergroße Exoplaneten auf Viertagebahnen — haben diese Annahme gekippt: Einen Jupiter so dicht an einem Stern zusammenzubauen, geht auf keinem plausiblen Weg. Heute nimmt man an, dass Planeten durch ihre Scheiben wandern und dabei Drehimpuls mit dem Gas austauschen. Das Nice-Modell (Tsiganis et al., 2005) lässt Jupiter und Saturn vor rund 3,9 Milliarden Jahren in eine 1:2-Bahnresonanz geraten, Uranus und Neptun nach außen drängen und kleine Eiskörper nach innen schleudern; die Häufung von Einschlägen auf dem Mond — das Große Bombardement — gilt als die Folge. Was wir heute sehen, ist nicht die Architektur der Entstehung.