V Menschen und Ereignisse - Max-Planck-Institut für Astronomie

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116 V. Menschen und Ereignisse Abb. V.6.2: Die Astrophysiker Doug Lin, Ed Thommes und Hubert Klahr am Vortag der Konferenz bei einer Studie über das Wachstum von Eiskristallen als Analogie zur frühen Phasen der Planetenentstehung. Abb. V.6.3: Zwei Pioniere in Theorie und Beobachtung: Peter Bodenheimer und Geoffrey Marcy (Photo: H. Zinnecker). Ein Schwerpunkt der Diskussionen betraf die Entstehung großer Planeten, vergleichbar mit den »Gasriesen« Jupiter oder Saturn. Alle bislang gefunden extrasolaren Planeten liegen in einem Massenbereich von etwa einem Zwanzigstel bis zum Siebzehnfachen der Jupitermasse. Gasriesen gehören somit zum normalen »Inventar« eines Planetensystems. Doch ihre Entstehungsgeschichte wirft noch erhebliche Fragen auf. Nach der gängigen Lehrmeinung entstehen sie in einer protoplanetaren Scheibe aus Gas und Staub. Die festen Partikel stoßen immer wieder zusammen, bleiben aneinander haften und wachsen auf diese Weise. Die immer schwerer werdenden Teilchen sinken nun aufgrund der Schwerkraft zur Mittelebene der Scheibe und bilden dort eine verhältnismäßig dünne Schicht. Da durch diesen Prozess die Staubdichte zugenommen hat, stoßen die Teilchen jetzt öfter zusammen und wachsen weiter bis zu einigen Kilometern Durchmesser an. Diese so genannten Planetesimale ziehen sich mit ihrer Schwerkraft gegenseitig an und lagern sich zu großen Planeten zusammen. Wenn ein solcher Gesteinsplanet etwa zehn Erdmassen erreicht hat, sammelt er aus der Umgebung Gas auf und umgibt sich mit einer Atmosphäre. Zurzeit lässt sich eigentlich nur die erste Phase, vom Anwachsen der Staubteilchen bis zur Größe von Steinen, durchgehend erklären. Wie in einer zweiten Stufe aus diesen Brocken Planetesimale und daraus dann im dritten Schritt Planeten werden, ist noch längst nicht klar. Bei diesen Größenskalen tritt das Problem auf, dass die Körper heftig miteinander kollidieren. Dann bleiben sie nicht aneinander haften, sondern zerstören sich gegenseitig. Ein grundsätzlicher, schwieriger Aspekt sind die Zeitskalen. Wie Edward Thommes von der Universität Toronto in seinem Vortrag ausführte, müssen sich die Planeten nämlich in verhältnismäßig kurzer Zeit bilden. Angesichts
dieser Problematik hat Alan Boss von der Carnegie Institution in Washington Mitte der neunziger Jahre das Kant- Laplace-Modell in seiner Urform wieder in die Diskussion eingebracht. Demnach entstehen Planeten, wenn in der Scheibe einzelne Bereiche instabil werden und sich aufgrund der Schwerkraft verdichten. Ein fester Planetenkern könnte entstehen, wenn Staub in das Zentrum eines sich verdichtenden Gasklumpens absinkt. Auf diese Weise könnte sich ein Gasplanet innerhalb weniger tausend Jahre bilden – zumindest theoretisch. Unklar ist allerdings, ob die hierfür notwendigen Bedingungen in einer protoplanetaren Scheibe überhaupt auftreten können. Diese muss nämlich wesentlich massereicher und dichter sein als es bisherige Beobachtungen nahe legen. Außerdem sind diese lokalen Gasverdichtungen zunächst sehr instabil und können in der rotierenden Scheibe leicht zerrissen werden. Hubert Klahr vom MPIA hat jüngst ein Modell entwickelt, das eine Art Brücke zwischen den beiden konkur- rierenden Modellen schlägt. Demnach könnten in einer Scheibe »magnetische Wirbelstürme« entstehen, entfernt mit Hochdrucksystemen in der Erdatmosphäre vergleichbar. Staub würde in diese Wirbel hineinströmen und sich darin ansammeln. Auf diese Weise könnten die »protoplanetaren Hurricanes« als Verstärker der Planetenentstehung funktionieren (siehe Kap. III.2). Die Vorgänge in einer protoplanetaren Scheibe sind so vielfältig und spielen sich auf einer so weiten Größen- skala ab, dass sie sich mit Simulationen allein bei wei- tem nicht vollständig beschreiben lassen. Astronomische Beobachtungen und seit jüngerer Zeit auch Laborexperimente müssen Fakten liefern, um die Vielfalt der theoretisch denkbaren Szenarien einzuschränken. Auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftler erhebliche Fortschritte gemacht. Wie Thomas Henning und Kees Dullemond berichteten, lassen sich aus der beobachteten Energieverteilung im Infraroten sehr viele Details der protoplanetaren Scheibe ableiten. So ist es beispielsweise möglich, die Ausdehnung der Scheibe zu ermitteln oder Lücken, die ein großer Planet in die Scheibe gerissen haben könnte, nachzuweisen. Mit Hilfe von Infrarotspektren, wie sie seit kurzem das Weltraumteleskop SPITZER liefert, ist es auch möglich, die Signaturen von Wasser-, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxid-Eis nachzuweisen, die auf Silikatteilchen ausgefroren sind. Neben Computersimulationen und Teleskopbeobachtungen spielen zunehmend auch Laborexperimente eine Rolle, in denen die Entwicklung von Staubteilchen in protoplanetaren Scheiben nachgestellt wird. Jürgen Blum von der TU Braunschweig untersucht auf diese Weise die Frage, unter welchen Umständen kleine Staubteilchen sich zusammenlagern und zu größeren Aggregaten anwachsen können, und welche Eigenschaften diese Aggregate haben. Experimente in der Schwerelosigkeit, an Bord eines Space Shuttle und als Nutzlast in einer ballistischen Rakete, brachten hier jüngst große Fortschritte. V.6 Ringebrg.Workshop »Vom Staubkorn zum Planeten« 117 Abb. V.6.4: Starker Schneefall hatte Schloss Ringberg ein malerisches Flair verliehen. So ließ sich verfolgen, wie winzige Partikel bei langsamen Stößen aneinander haften bleiben und langsam zu größeren Partikeln anwachsen. Trotz großer Fortschritte im Verständnis der Planetenentstehung brennen die Astronomen natürlich darauf, ex- trasolare Planeten direkt zu beobachten. Wolfgang Brandner berichtete, dass man vom Erdboden aus mit In- terferometern, zum Beispiel am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, ESO, oder am Keck- Observatorium auf Hawaii, innerhalb der nächsten Jahre einige junge, helle Planeten der Jupiterklasse aufspüren könnte. Allerdings bewegen sich die Astronomen bei dieser Aufgabe am Rande des Möglichen. Die besten Chancen wird wohl erst der Nachfolger von HUBBLE, das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), bieten. Dessen Start ist für Mitte 2011 geplant. Mit ihm sollte es möglich sein, Gasriesen im Infraroten direkt zu beobachten. Sowohl am VLTI als auch am JWST sind Astronomen des MPIA beteiligt. Das Studium protoplanetarer Scheiben wird indes schon früher in eine neue Phase treten, und zwar mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Dieses von der ESO und den Vereinigten Staaten gebaute Array entsteht derzeit auf dem 5000 Meter hohen Berg Chajnantor in den chilenischen Anden. Erste Messungen sollen 2007 beginnen, das gesamte Array mit 64 Radioteleskopen wird 2012 in Betrieb gehen. (Hubert Klahr, Wolfgang Brandner)
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