Herkömmliche Planetenentstehungsszenarien sehen vor, dass sich Neptun und Uranus näher an der Sonne bilden. Aber eine neue Studie zeigt, dass die Eisriesenplaneten genau dort entstanden sein könnten, wo sie jetzt sind.

Die Rekonstruktion der Ereignisse, die zur gegenwärtigen Konfiguration der Planeten im Sonnensystem geführt haben, ist eine gewaltige Aufgabe. Die geordneten fortwährenden Bewegungen entstanden aus den hektischen Bedingungen innerhalb der neugeborenen protoplanetaren Scheibe, die durch heftige Kollisionen und radiale Wanderungen sich bildender Protoplaneten gekennzeichnet waren. Planet für Planet haben Wissenschaftler versucht, die Puzzleteile zusammenzusetzen. Wie passen Uranus und Neptun, die äußersten Planeten des Sonnensystems, hinein?

Die beiden Eisriesen sind wahrscheinlich die rätselhaftesten Planeten im Sonnensystem. Ihre Entfernungen (jeweils das 20- und 30-fache der Entfernung der Erde von der Sonne) und ihr einzigartiges Massenregime (zwischen dem der Gasriesen und der terrestrischen Planeten) stellen die Modelle in Frage. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, wie oder wo sich die beiden Planeten gebildet haben, aber Beweise deuteten bis vor kurzem darauf hin, dass Uranus und Neptun nicht dort entstanden sein können, wo sie heute sind.

Nun widerspricht eine neue Studie diesen Argumenten und behauptet, dass sich die Planeten tatsächlich an ihren derzeitigen Standorten gebildet haben könnten. Das faszinierende Ergebnis, das in The Astrophysical Journal (Vorabdruck hier verfügbar) erscheinen soll, bietet eine Alternative zum Migrationsszenario.

„Ich sage nicht, dass sie sich nicht weiter innen gebildet haben; sie hätten sich auch weiter außen bilden können“, sagt Studienteammitglied Ravit Helled (Universität Zürich, Schweiz). „Aber wir können nicht mehr sagen, dass sie sich nicht in situ bilden können – ja, sie können!“

Kiesel zur Rettung

Das aktuelle Bild der Planetenentstehung sieht so aus: Planeten entstehen aus einer protoplanetaren Scheibe, die aus Gas- und Staubkörnern besteht. Die Körner kollidieren und wachsen zu Kieselsteinen heran, die Zentimetergrößen erreichen. Unter bestimmten Bedingungen verklumpen Kieselsteine ​​weiter zu Planetesimalen mit charakteristischen Größen von hundert Kilometern und schließlich zu Planetenkernen.

Wenn die Kerne eine ausreichend große Masse erreichten, würden sie anfangen, Gas aus der Scheibe zu sammeln. Daher mussten innerhalb von mehreren Millionen Jahren Riesenplaneten entstehen, bevor sich die Gasscheibe auflöste. Allerdings war das planetesimale Wachstum weiter von der Sonne entfernt langsamer. Bei ihren derzeitigen Entfernungen hätten Uranus und Neptun laut diesem Szenario keine Zeit zum Wachsen gehabt.

Aber dieses Szenario vernachlässigt die Rolle von Kieselsteinen beim Aufbau eines Planeten. Die Kieselsteine ​​wären von den Außenbezirken des Sonnensystems in Richtung Sonne gedriftet und hätten auf ihrem Weg Planetenembryos gefüttert. Mit einer stetigen Aufnahme von Kieselsteinen hätten die Kerne von Uranus und Neptun die erforderliche Masse erreichen können, lange bevor sich das Gas der Scheibe aufgelöst hatte.

„Das Problem der Entstehungszeitskalen, das es aus meiner Sicht sehr lange gegeben hat, gibt es nicht mehr“, sagt Helled.

Helleds Team führte 24 Versionen ihrer Simulation durch und verfolgte die Akkretion von Kieselsteinen sowie Wasserstoff- und Heliumgas auf einem einzigen, massiven Planetenkern. Einige Versionen konnten die Gesamtmasse des Riesen sowie die Masse seiner Gashülle reproduzieren.

Die Wissenschaftler fanden jedoch auch heraus, dass den Planeten in den meisten Simulationsszenarien schwere Elemente im Wert von bis zu 3 Erdmassen fehlten. Riesige Einschläge könnten diese fehlende Masse plausibel geliefert haben, schlägt das Team vor, da bereits bekannt ist, dass Einschläge eine wichtige Rolle bei der Entstehung vieler (wenn nicht aller) Planeten im Sonnensystem gespielt haben.

Die neue Studie zeichnet das Wachstum der beiden Planeten einzeln nach. Helled sagt jedoch, dass sie diesen vereinfachten Ansatz verbessern und die gleichzeitige Entstehung der beiden und letztendlich aller vier Riesenplaneten betrachten sollten.

Nicht so einfach!

Der Planetenforscher André Izidoro (Rice University), der nicht an der Studie beteiligt war, warnt davor, dass Migration schwer zu vermeiden ist. „Während Planeten wachsen, insbesondere wenn sie größer als eine Erd- oder Marsmasse werden, beginnen sie sich zu bewegen“, sagt Izidoro.

Tatsächlich haben Simulationen gezeigt, dass Uranus und Neptun aus einer Reihe von Kollisionen zwischen wandernden Protoplaneten entstanden sein könnten. Welches Szenario beschreibt also, was wirklich passiert ist?

Voyager 2 hat diese nebeneinander liegenden Ansichten von Uranus (links) und Neptun (rechts) aufgenommen. NASA/JPL-Caltech

Direkte chemische Migrationsspuren sind schwer zu finden, aber die Planetenkonfiguration selbst liefert einige Hinweise. Beispielsweise sammelt sich eine Population von Planetesimalen jenseits der Neptunbahn, bekannt als Kuipergürtel, in bestimmten Abständen von der Sonne. Wissenschaftler vermuten, dass ein Großteil dieser Struktur als Folge der Migration von Neptun entstanden ist.

Es bleiben viele offene Fragen zu Uranus und Neptun, weil ihnen die genaue Untersuchung fehlt, die wir von anderen Planeten gemacht haben. Wir kennen beispielsweise die Massen ihrer gasförmigen Hüllen nicht genau, die zu den vielen Zutaten in Simulationen ihrer Entstehung gehören. Obwohl eine Mission zu den Eisriesen, die Fragen wie diese beantworten würde, in Betracht gezogen wurde, ist noch nichts vom Reißbrett gekommen.

Unabhängig davon, was eine solche Mission findet, wird die endgültige Antwort auf die Frage nach der Herkunft der Eisriesen wahrscheinlich alle möglichen unterschiedlichen Prozesse und Szenarien zusammenbringen. Wie sowohl Helled als auch Izidoro immer wieder betonten: Es ist kompliziert.