Der Mond und seine dunklen Flecken. Bildnachweis: NASA. Klicken um zu vergrößern.
Menschen jeder Kultur waren fasziniert von den dunklen „Flecken“ auf dem Mond, die die Figur eines Kaninchens, Frösche oder das Gesicht eines Clowns zu bilden scheinen. Bei den Apollo-Missionen stellten Wissenschaftler fest, dass es sich bei diesen Merkmalen tatsächlich um riesige Einschlagbecken handelt, die mit jetzt erstarrter Lava überflutet wurden. Eine Überraschung war, dass sich diese Becken relativ spät in der Geschichte des frühen Sonnensystems bildeten - ungefähr 700 Millionen Jahre nach der Entstehung von Erde und Mond. Viele Wissenschaftler glauben heute, dass diese Mondaufprallbecken von einem enormen Anstieg der Bombardierungsrate der Planeten zeugen - dem so genannten Late Heavy Bombardment (LHB). Die Ursache eines solch intensiven Bombardements wird jedoch von vielen als eines der am besten erhaltenen Geheimnisse der Geschichte des Sonnensystems angesehen.
In einer Reihe von drei Artikeln, die in der dieswöchigen Ausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, haben Rodney Gomes (Nationales Observatorium Brasiliens), Harold Levison (Südwestliches Forschungsinstitut, USA) und Alessandro Morbidelli (Observatoire de la C) ein internationales Team von Planetenwissenschaftlern veröffentlicht ? te d'Azur, Frankreich) und Kleomenis Tsiganis (OCA und Universität Thessaloniki, Griechenland) - zusammengebracht von einem Besucherprogramm am Observatoire de la C? te d'Azur in Nizza - schlugen ein Modell vor, das sich nicht nur auf natürliche Weise löst das Geheimnis des Ursprungs des LHB, erklärt aber auch viele der beobachteten Eigenschaften des äußeren Planetensystems.
Dieses neue Modell sieht vor, dass sich die vier Riesenplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun in einer sehr kompakten Orbitalkonfiguration bildeten, die von einer Scheibe kleiner Objekte aus Eis und Gestein (bekannt als „Planetesimale“) umgeben war. Numerische Simulationen des Teams von Nizza zeigen, dass einige dieser Planetesimale aufgrund der Gravitationseffekte der Planeten langsam aus der Scheibe austraten. Die Planeten zerstreuten diese kleineren Objekte im gesamten Sonnensystem, manchmal nach außen und manchmal nach innen.
"Wie Isaac Newton uns gelehrt hat, gibt es für jede Handlung eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion", sagt Tsiganis. „Wenn ein Planet ein Planetesimal aus dem Sonnensystem wirft, bewegt sich der Planet zum Ausgleich auf die Sonne zu. Wenn andererseits der Planet das Planetesimal nach innen streut, springt der Planet etwas weiter von der Sonne weg. “
Numerische Simulationen zeigen, dass sich Jupiter im Durchschnitt nach innen bewegte, während sich die anderen Riesenplaneten nach außen bewegten.
Anfänglich war dies ein sehr langsamer Prozess, und es dauerte Millionen von Jahren, bis sich die Planeten eine kleine Menge bewegten. Nach diesem neuen Modell änderte sich dann nach 700 Millionen Jahren plötzlich die Situation. Zu dieser Zeit wanderte Saturn durch den Punkt, an dem seine Umlaufzeit genau doppelt so hoch war wie die von Jupiter. Diese spezielle Umlaufbahnkonfiguration führte dazu, dass die Umlaufbahnen von Jupiter und Saturn plötzlich elliptischer wurden.
"Dies führte dazu, dass die Umlaufbahnen von Uranus und Neptun verrückt wurden", sagt Gomes. "Ihre Umlaufbahnen wurden sehr exzentrisch und sie begannen, sich gegenseitig gravitativ zu zerstreuen - und auch Saturn."
Das Team von Nizza argumentiert, dass diese Entwicklung der Umlaufbahnen von Uranus und Neptun den LHB auf dem Mond verursacht hat. Ihre Computersimulationen zeigen, dass diese Planeten sehr schnell die Planetesimalscheibe durchdrangen und Objekte im gesamten Planetensystem zerstreuten. Viele dieser Objekte drangen in das innere Sonnensystem ein, wo sie die Erde und den Mond mit Stößen überhäuften. Darüber hinaus destabilisierte der gesamte Prozess die Umlaufbahnen der Asteroiden, was dann auch zum LHB beigetragen hätte. Schließlich führten die Gravitationseffekte der Planetesimalscheibe dazu, dass sich Uranus und Neptun auf ihren aktuellen Umlaufbahnen entwickelten.
"Es ist sehr überzeugend", sagt Levison. „Wir haben mehrere Dutzend Simulationen dieses Prozesses durchgeführt, und statistisch gesehen landeten die Planeten auf Umlaufbahnen, die denen sehr ähnlich sind, die wir sehen, mit den richtigen Abständen, Exzentrizitäten und Neigungen. So können wir neben dem LHB auch die Umlaufbahnen der Riesenplaneten erklären. Kein anderes Modell hat jemals zuvor etwas erreicht. “
Es gab jedoch noch eine weitere Hürde zu überwinden. Das Sonnensystem enthält derzeit eine Population von Asteroiden, die im Wesentlichen der gleichen Umlaufbahn wie Jupiter folgen, diesen Planeten jedoch in einem Winkelabstand von etwa 60 Grad führen oder verfolgen. Computersimulationen zeigen, dass diese Körper, die als "trojanische Asteroiden" bekannt sind, verloren gegangen wären, als sich die Umlaufbahnen der Riesenplaneten geändert hätten.
"Wir saßen monatelang herum und machten uns Sorgen über dieses Problem, das unser Modell ungültig zu machen schien", sagt Morbidelli, "bis wir erkannten, dass ein anderer Vogel kommen und darin nisten kann, wenn er aus einem offenen Käfig entkommen kann."
Das Team von Nizza stellte fest, dass einige der Objekte, die die Planetenentwicklung vorantrieben und die LHB verursachten, auch in trojanischen Asteroidenbahnen erfasst worden wären. In den Simulationen stellte sich heraus, dass die gefangenen Trojaner die bisher ungeklärte Orbitalverteilung der beobachteten Trojaner reproduzierten. Die vorhergesagte Gesamtmasse der eingeschlossenen Objekte stimmte auch mit der beobachteten Population überein.
Insgesamt erklärt das neue Modell des Nizza-Teams natürlich die Umlaufbahnen der Riesenplaneten, der trojanischen Asteroiden und des LHB mit beispielloser Genauigkeit. „Unser Modell erklärt so viele Dinge, dass wir glauben, dass es grundsätzlich richtig sein muss“, sagt Mordibelli. "Die Struktur des äußeren Sonnensystems zeigt, dass die Planeten wahrscheinlich lange nach dem Ende des Planetenbildungsprozesses eine Erschütterung durchgemacht haben."
Originalquelle: SWRI-Pressemitteilung
