Jupiter war der erste

Blick auf den Südpol des Jupiter (Foto: NASA/JPL-Caltech/ SwRI/MSSS/ Gabriel Fiset)

Der Jupiter ist der unangefochtene "König" unseres Sonnensystems: Kein anderer Planet ist so groß und massereich wie dieser Gasriese. Jetzt könnten Planetenforscher einen weiteren Superlativ des Jupiter aufgedeckt haben: Er ist wahrscheinlich auch der älteste Planet des Sonnensystems. Isotopenmessungen an Meteoriten deuten darauf hin, dass der Kern des Planeten bereits eine Million Jahre nach Entstehung der Sonne und ihrer protoplanetaren Wolken gebildet wurde. Seine Existenz beeinflusste die Verteilung von Materie in der Urwolke und könnte sogar die Bildung von großen Supererden im inneren Sonnensystem verhindert haben.

Am Anfang des Sonnensystems stand eine Wolke aus Gas und Staub. In ihr kreisten vor allem Wasserstoff und Helium, aber auch Wasserdampf, Kohlenstoff- und Siliziumverbindungen. Vor rund 4,6 Milliarden Jahren sorgte eine Störung dafür, dass Teile der Wolke kollabierten und ins Zentrum stürzten. Dort wurden Druck und Hitze so stark, dass die Kernfusion einsetzte – die Sonne entstand. Kurz darauf begann in der restlichen Materiescheibe die Akkretion: Kleine Materiebrocken ballten sich zu immer größeren Körpern zusammen und Planetesimale und Protoplaneten entstanden. Wann genau die ersten Planeten begannen zu existieren, ist jedoch nur in Teilen geklärt. Weitgehend sicher scheint nur, dass die Gasriesen Jupiter und Saturn vor Auflösung der Urwolke vor rund vier bis zehn Millionen Jahren entstanden sein müssen – denn nur bis dahin gab es genügend Gas für ihre gewaltigen Gashüllen. Gängiger Theorie nach zogen die Planeten diese Gase an, nachdem ihre Kerne rund 10 bis 20 Erdmassen an Materie angesammelt hatten. "Die Akkretion der Planetenkerne dieser Gasriesen ist bereits in Modellen rekonstruiert worden, ihre Bildung zu datieren ist aber bisher nicht gelungen", erklären Thomas Kruijer von der Universität Münster und seine Kollegen.

Meteoriten als Zeitzeugen

Um diese Frage zu klären, haben die Forscher nun einen indirekten Ansatz gewählt: Sie nutzten Meteoriten als Zeitzeugen. Analysen zeigen, dass es zwei Hauptgruppen von Meteoriten gibt, kohlenstoffhaltige und nichtkohlenstoffhaltige. "Dieser Unterschied könnte entweder eine zeitliche Veränderung in der Zusammensetzung der Urwolke widerspiegeln oder aber eine räumliche Trennung des Materials innerhalb und außerhalb des Jupiterorbits", erklären die Wissenschaftler. Stimmt letzteres, dann könnte der Gasriese eine Lücke in den Urnebel gepflügt haben, die einen Materieaustausch zwischen den beiden Bereichen der Wolke verhinderte. Dadurch bildeten sich kohlenstoffhaltige Meteoriten nur außerhalb des Jupiterorbits, nichtkohlenstoffhaltige dagegen nur im inneren Sonnensystem. Um diese Theorie zu überprüfen und die Trennung der beiden Urwolkenbereiche durch den jungen Jupiter zu datieren, haben Kruijer und seine Kollegen die Wolfram- und Molybdän-Isotopengehalte in Proben von 19 Eisenmeteoriten aus sechs verschiedenen Meteoritenklassen analysiert. "Diese Proben sind Fragmente der Metallkerne einiger der am frühesten gebildeten Planetesimale", erklären die Forscher. "Dies macht sie zu idealen Proben, um nach den Effekten der Gasriesen-Bildung auf die Dynamik des frühen Sonnensystems zu suchen."

Dabei zeigte sich: Die Meteoriten lassen sich tatsächlich in zwei klar getrennte Gruppen aufteilen. "Kein Meteorit fällt bei den Molybdänwerten zwischen die Grenzen der kohlenstoffhaltigen und nichtkohlenstoffhaltigen Typen", berichten die Forscher. "Die Materiereservoire für beide können sich daher nicht vermischt haben, sondern müssen getrennt voneinander bestanden haben, bis die Mutterkörper dieser Meteoriten fertig gebildet waren." Aus den Isotopen geht ihren Angaben zufolge auch hervor, dass diese räumliche Trennung des "Baumaterials" von rund eine Million bis vier Millionen Jahre nach Entstehung des Sonnensystems bestanden haben muss. "Eine so lange anhaltende räumliche Trennung jedoch kann nicht einfach nur eine große Entfernung zwischen den beiden Materialreservoiren widerspiegeln, denn dann hätten sich die Komponenten früher wieder vermischen müssen", sagen Kruijer und seine Kollegen.

Jupiterkern als erster Planet

Ihrer Ansicht nach lässt dies nur einen Schluss zu: Eine Barriere muss die Trennung der beiden Urwolkenbereiche verursacht haben – und schuld daran war höchstwahrscheinlich ein großer Planet. "Der plausibelste Mechanismus für die Trennung zweier solcher Reservoire ist die Akkretion eines Gasriesen zwischen ihnen", konstatieren die Forscher. "Denn dies hätte eine Lücke in die Akkretionsscheibe gerissen und so die Einwärtsdrift von Staubteilchen verhindert." Weil der Jupiter der größte und innerste der Gasriesen im Sonnensystem ist, sei er dafür der wahrscheinlichste Kandidat. Das aber bedeutet, dass der Gasriese schon rund eine Million Jahre nach Entstehung des Sonnensystems eine Größe von mindestens 20 Erdmassen erreicht haben muss – denn nur dann hätte er eine ausreichend große Lücke in die Urwolke gepflügt. In den folgenden rund drei Millionen Jahren wuchs der Gasplanet dann weiter bis auf rund 50 Erdmassen an, wie die Forscher erklären.

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Jupiters fester Kern sich bereits rund eine Million Jahre nach Entstehung des Sonnensystems gebildet hatte – das macht Jupiter zum ältesten Planeten in unserem System", sagen Kruijer und seine Kollegen.  Die Existenz dieses mächtigen Protoplaneten zu dieser frühen Zeit könnte auch die restliche Planetenbildung entscheidend geprägt haben. Denn die von Jupiter gerissene Lücke isolierte den inneren Bereich der Urwolke und verhinderte den Materienachschub von außen. Dadurch reichte das "Baumaterial" innen zwar für Planeten von der Größe der Erde und darunter, nicht aber für die Bildung von größeren Supererden, wie die Wissenschaftler erklären.

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