Das Sonnensystem bildete sich aus einer Gaswolke, aus der sich ein Protostern, eine Planetoplanescheibe und schließlich die Samen für das, was Planeten werden würden, gebildet haben. Die Krönung der Geschichte unseres eigenen Sonnensystems ist die Schaffung und Bildung der Erde, so wie wir sie heute haben, was möglicherweise keine so besondere kosmische Seltenheit war, wie es einmal gedacht wurde. (NASA / DANA BERRY)

Wie war es, als der Planet Erde Gestalt annahm?

Der „riesige Einschlag“, der zur Erde führte, war vielleicht doch nicht so gigantisch.

Vor etwas mehr als 4,5 Milliarden Jahren begann sich unser Sonnensystem zu bilden. Irgendwo in der Milchstraße brach eine große Gaswolke zusammen und führte zu Tausenden von neuen Sternen und Sternensystemen, von denen jedes einzigartig war. Einige Sterne waren viel massiver als unsere Sonne; die meisten waren viel kleiner. Einige kamen mit mehreren Sternen in ihren Systemen; Etwa die Hälfte der Sterne bildete sich, wie auch unsere, ganz allein.

Aber um fast alle von ihnen verschmolz eine große Menge von Materie zu einer Scheibe. Als protoplanetare Scheiben bekannt, sind dies die Ausgangspunkte für alle Planeten, die sich um diese Sterne gebildet haben. Mit den Fortschritten in der Teleskoptechnologie, die die letzten Jahrzehnte begleitet haben, haben wir begonnen, diese Datenträger und ihre Details aus erster Hand abzubilden. Zum ersten Mal erfahren wir, wie Planetensysteme wie unser eigenes entstanden sind.

20 neue protoplanetare Scheiben, dargestellt durch die Zusammenarbeit des DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project), zeigen, wie neu formende Planetensysteme aussehen. Die Lücken in der Scheibe sind wahrscheinlich die Positionen der sich neu bildenden Planeten. (S. M. ANDREWS ET AL. UND DIE DSHARP ZUSAMMENARBEIT, ARXIV: 1812.04040)

Theoretisch ist der Prozess der Planetenbildung unglaublich einfach. Wenn Sie eine große Masse wie eine Gaswolke haben, können Sie die folgenden Schritte erwarten:

  • die Masse wird in einen zentralen Bereich gezogen,
  • wo eine oder mehrere große Klumpen wachsen,
  • während das umgebende Gas zusammenbricht,
  • wobei zuerst eine Dimension zusammenbricht (Erstellen einer Festplatte),
  • und dann wachsen Unvollkommenheiten in der Platte,
  • zieht bevorzugt Materie an und bildet den Samen von Planeten.

Wir können jetzt direkt auf diese protoplanetaren Scheiben schauen und Beweise dafür finden, dass diese Planetensamen schon sehr früh vorhanden sind.

Der Stern TW Hydrae ist ein Analogon der Sonne und anderer sonnenähnlicher Sterne. Es zeigt bereits von Anfang an, wie hier abgebildet, Anzeichen dafür, dass sich neue Planeten in verschiedenen Radien in ihrer protoplanetaren Scheibe bilden. (S. ANDREWS (HARVARD-SMITHSONIAN CFA); B. SAXTON (NRAO / AUI / NSF); ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Diese Platten halten jedoch nicht sehr lange. Wir betrachten Zeitskalen, die normalerweise nur Dutzende Millionen Jahre lang sind, um Planeten zu bilden, und das liegt nicht nur an der Schwerkraft, sondern auch daran, dass wir mindestens einen zentralen Stern zum Leuchten bringen.

Die Gaswolke, die unsere Planeten bilden wird, besteht aus einer Mischung von Elementen: Wasserstoff, Helium und all den schwereren, die das Periodensystem nach oben gehen. Wenn Sie sich in der Nähe des Sterns befinden, lassen sich die leichtesten Elemente leicht abblasen und verdampfen. In kurzer Zeit entwickelt ein junges Sonnensystem drei verschiedene Regionen:

  1. eine zentrale Region, in der nur Metalle und Mineralien zu Planeten kondensieren können,
  2. eine Zwischenregion, in der sich felsige und riesige Welten mit Kohlenstoffverbindungen bilden können,
  3. und einen äußeren Bereich, in dem flüchtige Moleküle wie Wasser, Ammoniak und Methan bestehen bleiben können.
Eine schematische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe mit den Ruß- und Frostlinien. Für einen Stern wie die Sonne schätzen Schätzungen die Frostlinie ungefähr dreimal so hoch wie die ursprüngliche Entfernung von Erde und Sonne, während die Rußlinie deutlich näher liegt. Die genaue Position dieser Linien in der Vergangenheit unseres Sonnensystems ist schwer zu bestimmen. (NASA / JPL-CALTECH, ANNONATIONEN VON INVADER XAN)

Die Grenze zwischen den beiden inneren Bereichen ist als Rußlinie bekannt, wobei die innere Verbindung die komplexen Kohlenstoffverbindungen zerstört, die als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe bekannt sind. In ähnlicher Weise wird die Grenze zwischen den beiden äußeren Regionen als Frostlinie bezeichnet. Wenn Sie sich innerhalb der Grenze befinden, können Sie keine festen, festen Eis bilden. Beide Linien werden durch die Hitze des Sterns angetrieben und wandern im Laufe der Zeit nach außen.

In der Zwischenzeit werden diese protoplanetaren Klumpen wachsen, zusätzliche Materie aufnehmen und Gelegenheiten haben, sich gegenseitig gravierend zu stören. Im Laufe der Zeit können sie miteinander verschmelzen, sich gegenseitig beeinflussen oder sogar in die Sonne schleudern. Wenn wir Simulationen ausführen, mit denen Planeten wachsen und sich weiterentwickeln können, entdecken wir eine außergewöhnlich chaotische Geschichte, die für jedes Sonnensystem einzigartig ist.

Wenn es um unser eigenes Sonnensystem geht, war die kosmische Geschichte, die sich entwickelte, nicht nur spektakulär, sondern in vielerlei Hinsicht unerwartet. Im inneren Bereich ist es sehr wahrscheinlich, dass wir schon früh eine relativ große Welt hatten, die möglicherweise in unserer kosmischen Jugend von unserer Sonne verschluckt wurde. Es gibt nichts, was eine riesige Welt im inneren Sonnensystem verhindert. Die Tatsache, dass wir nur die felsigen Welten in der Nähe unserer Sonne haben, zeigt uns, dass wahrscheinlich schon früh etwas anderes vorhanden war.

Die größten Planeten bildeten sich wahrscheinlich früh aus Samen, und es gab vielleicht mehr als vier davon. Um die gegenwärtige Konfiguration von Gasriesen zu erhalten, scheinen die von uns durchgeführten Simulationen zu zeigen, dass es mindestens einen fünften riesigen Planeten gab, der vor einiger Zeit ausgeworfen wurde.

Im frühen Sonnensystem ist es sehr vernünftig, mehr als vier Samen für Riesenplaneten gehabt zu haben. Simulationen weisen darauf hin, dass sie in der Lage sind, nach innen und außen zu wandern und auch diese Körper auszustoßen. Wenn wir die Gegenwart erreichen, überleben nur noch vier Gasgiganten. (K. J. WALSH et al., NATURE 475, 206–209 (14. JULI 2011))

Der Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter ist höchstwahrscheinlich der Rest unserer ursprünglichen Frostlinie. Die Grenze zwischen der Stelle, an der Sie stabiles Eis haben können, hätte zu einer großen Anzahl von Körpern geführt, die eine Mischung aus Eis und Gestein waren, wobei das Eis meistens über die Milliarden von Jahren hinweg sublimierte.

Außerhalb unseres letzten Gasriesen bestehen die übrig gebliebenen Planetensimale aus den ersten Stadien des Sonnensystems. Obwohl sie sich möglicherweise verschmelzen, kollidieren, interagieren und gelegentlich von Gravitationsschleudern in das innere Sonnensystem geschleudert werden, bleiben sie weit über Neptun hinaus als Relikt aus den jüngsten Stadien unseres Sonnensystems. In vielerlei Hinsicht sind dies die ursprünglichen Überreste von der Geburt unseres kosmischen Hinterhofs.

Die Planetesimals aus den Teilen des Sonnensystems jenseits der Frostlinie kamen zur Erde und bildeten den Großteil des heutigen Planetenmantels. Außerhalb von Neptun bestehen diese Planeten noch immer als Objekte des Kuiper-Gürtels (und darüber hinaus), die von den seitdem verbliebenen 4,5 Milliarden Jahren relativ unverändert geblieben sind. (NASA / GSFC, BENNU'S JOURNEY - HEAVY BOMBARDMENT)

Aber der interessanteste Ort für uns ist das innere Sonnensystem. Es konnte einmal einen großen, inneren Planeten gegeben haben, der verschluckt wurde, oder vielleicht haben die Gasgiganten einmal die inneren Regionen besetzt und sind nach außen gewandert. In jedem Fall verzögerte etwas die Bildung von Planeten im inneren Sonnensystem, so dass die vier Welten, die sich gebildet hatten - Merkur, Venus, Erde und Mars - viel kleiner als alle anderen waren.

Was auch immer übrig geblieben war, und wir wissen, dass es sich bei den planetarischen Dichtemessungen, die wir heute haben, hauptsächlich um schwere Gesteinsformen handelte, bildeten sich diese felsigen Welten. Jeder hat einen Kern aus Schwermetallen und einen weniger dichten Mantel aus einem Material, das später über die Frostlinie hinaus auf den Kern fiel. Nach nur wenigen Millionen Jahren dieser Art von Evolution und Formation hatten die Planeten eine ähnliche Größe und Umlaufbahn wie heute.

Wenn sich das Sonnensystem weiterentwickelt, werden flüchtige Materialien verdampft, Planeten nehmen Materie auf, Planetesimale verschmelzen miteinander und Bahnen wandern in stabile Konfigurationen über. Die Gasriesenplaneten können die Dynamik unseres Sonnensystems gravierend dominieren, aber die inneren, felsigen Planeten sind, soweit wir wissen, die ganze interessante Biochemie. (WIKIMEDIA COMMONS USER ASTROMARK)

Es gab jedoch einen großen Unterschied: In diesem frühen Stadium hatte die Erde nicht unseren Mond. In der Tat hatte der Mars auch keinen seiner Monde. Damit dies geschehen kann, musste etwas erstellt werden. Dies würde einen riesigen Aufprall erfordern, bei dem eine große Masse eine dieser frühen Welten traf und Trümmer aufwirbelte, die schließlich zu einem oder mehreren Monden zusammenwuchsen.

Für die Erde war dies eine Idee, die nicht besonders ernst genommen wurde, bis wir zum Mond gingen und die Gesteine ​​untersuchten, die wir auf der Mondoberfläche gefunden hatten. Überraschenderweise hat der Mond die gleichen stabilen Isotopenverhältnisse wie die Erde, während sie sich von allen anderen Planeten des Sonnensystems unterscheiden. Darüber hinaus haben der Spin der Erde und die Umlaufbahn des Mondes um die Erde ähnliche Orientierungen, und der Mond hat einen Eisenkern, alles Fakten, die auf einen gemeinsamen Ursprung von Erde und Mond hindeuten.

Die Giant Impact-Hypothese besagt, dass ein Körper in Marsgröße mit der frühen Erde kollidierte und der Rückstand nicht auf die Erde zurückfiel, um den Mond zu bilden. Dies ist als die Giant Impact-Hypothese bekannt, und obwohl es eine zwingende Erzählung ist, könnte sie nur Elemente der Wahrheit enthalten und nicht die ganze Geschichte sein. Es ist möglich, dass alle felsigen Planeten mit großen Monden sie durch eine solche Kollision erhalten. (NASA / JPL-CALTECH)

Ursprünglich hieß die Theorie die Giant Impact-Hypothese und es wurde vermutet, dass sie eine frühe Kollision zwischen Proto-Erde und einer Welt in Marsgröße, Theia, verursacht hat. Das plutonische System mit seinen fünf Monden und das marsianische System mit seinen zwei Monden (die wahrscheinlich früher drei waren) zeigen alle ähnliche Beweise dafür, dass sie schon vor langer Zeit durch Rieseneinschläge entstanden sind.

Aber jetzt bemerken Wissenschaftler Probleme mit der Giant Impact-Hypothese, die ursprünglich für die Erstellung des Erdmondes formuliert wurde Stattdessen sieht es aus wie ein kleinerer (aber immer noch sehr großer) Einfluss. Ein Objekt, das weitaus weiter außerhalb unseres Sonnensystems liegt, könnte für die Entstehung unseres Mondes verantwortlich gewesen sein. Anstelle dessen, was wir einen gigantischen Aufprall nennen, könnte eine energiereiche Kollision mit Proto-Erde eine Trümmerscheibe um unsere Welt gebildet haben, wodurch eine neue Art von Struktur geschaffen wurde, die als Synestien bezeichnet wird.

Ein Beispiel dafür, wie eine Synästhesie aussehen könnte: Ein aufgeblähter Ring, der einen Planeten nach einem hochenergetischen, großen Drehimpulsaufschlag umgibt. (SARAH STEWART / UC DAVIS / NASA)

Es gibt vier große Eigenschaften unseres Mondes, die jede erfolgreiche Theorie für ihren Ursprung erklären muss: Warum gibt es nur einen großen Mond und nicht mehrere Monde, warum die Isotopenverhältnisse für Elemente zwischen Erde und Mond so ähnlich sind, weshalb die moderat flüchtigen Elemente sind im Mond erschöpft und warum der Mond in Bezug auf die Erde-Sonne-Ebene so geneigt ist, wie er ist.

Die Isotopenverhältnisse sind besonders interessant für die Giant Impact-Hypothese. Die ähnlichen isotopischen Eigenschaften zwischen Erde und Mond legen nahe, dass der Impaktor (Theia) und die Erde, wenn beide groß waren, im selben Radius von der Sonne gebildet werden mussten. Dies ist möglich, aber Modelle, die über diesen Mechanismus einen Mond bilden, haben nicht die richtigen Eigenschaften für den Drehimpuls. In ähnlicher Weise führen weidende Kollisionen mit dem rechten Drehimpuls zu anderen Isotopenhäufigkeiten als wir sehen.

Eine Synästhesie wird aus einer Mischung aus verdampftem Material sowohl aus Proto-Erde als auch aus dem Impaktor bestehen, der durch die Vereinigung von Mondeln einen großen Mond in ihm bildet. Dies ist ein allgemeines Szenario, das einen einzigen großen Mond mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften erzeugen kann, die wir beobachten. (S. J. LOCK et al., J. GEOPHYS RESEARCH, 123, 4 (2018), S. 910–951)

Deshalb ist die Alternative - eine Synästhesie - so attraktiv. Wenn Sie eine schnelle, energetische Kollision zwischen einem kleineren Körper mit geringerer Masse und unserer Proto-Erde haben, bilden Sie eine große torusförmige Struktur um die Erde. Diese als Synestia bezeichnete Struktur besteht aus verdampftem Material, das aus einer Mischung von Proto-Erde und dem aufprallenden Objekt stammt.

Im Laufe der Zeit vermischen sich diese Materialien und bilden in kurzer Zeit viele Mini-Monde (so genannte Moonlets), die zusammenkleben und sich zusammenziehen können, was zu einem Mond führt, den wir heute beobachten. In der Zwischenzeit wird der Großteil des Materials in den Synestien, insbesondere der innere Teil, auf die Erde zurückfallen. Anstelle eines einzigen, konstruierten Rieseneffekts können wir jetzt von verallgemeinerten Strukturen und Szenarien sprechen, aus denen große Monde wie unsere eigenen entstehen.

Anstelle eines einzigen Aufpralls aus einer massiven, marsgroßen Welt im frühen Sonnensystem hätte ein Mond mit einer viel geringeren Masse, aber immer noch mit hoher Energie zu unserem Mond geführt. Es wird erwartet, dass solche Kollisionen weitaus häufiger sind und einige der Eigenschaften, die wir auf dem Mond sehen, besser erklären können als das traditionelle Theia-ähnliche Szenario mit einem riesigen Einfluss. (NASA / JPL-CALTECH)

Es gab höchstwahrscheinlich eine hochenergetische Kollision mit einem fremden Objekt außerhalb des Orbits, das unsere junge Erde in den frühen Stadien des Sonnensystems traf, und diese Kollision war erforderlich, um unseren Mond zu erzeugen. Es war aber wahrscheinlich viel kleiner als die Größe von Mars, und es war fast sicher ein starker Schlag und kein blickender Zusammenstoß. Anstelle einer Wolke aus Steinfragmenten bildete sich eine neuartige, ausgedehnte, verdampfte Scheibe, die Synestien genannt wurde. Und im Laufe der Zeit hat es sich niedergelassen, um unsere Erde und unseren Mond so zu gestalten, wie wir sie heute kennen.

Am Ende des frühen Stadiums unseres Sonnensystems war es für das Leben so vielversprechend wie möglich. Mit einem zentralen Stern, drei atmosphärenreichen Steinwelten, den Rohstoffen fürs Leben und mit Gasriesen, die nur weit darüber hinaus existierten, waren alle Teile vorhanden. Wir wissen, dass wir Glück hatten, dass Menschen entstehen konnten. Aber mit diesem neuen Verständnis denken wir auch, dass die Möglichkeit eines Lebens wie wir bereits vor Millionen von Menschen in der gesamten Milchstraße geschehen ist.

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    • Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Anhänger erneut auf Medium veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher geschrieben: Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.