Wie Neptun im äußeren Sonnensystem aufräumte

Heute gibt es in unserem Sonnensystem noch zwei Bereiche, in denen eine große Anzahl kleinerer Himmelskörper angehäuft sind: zum einen den Asteroidengürtel zwischen Mars- und Jupiterbahn, zum anderen den Kuiper-Gürtel außerhalb der Neptunbahn. Im Fachmagazin Science (Bd. 306, Nr. 5700) fasst Alessandro Morbidelli vom Observatoire de la Cote d'Azur in Nizza den derzeitigen Wissensstand über die Entstehungsmechanismen des Kuiper-Gürtels zusammen.
Unser Sonnensystem entstand aus einer Gas- und Staubscheibe. Aufgrund seiner eigenen Schwerkraft zog sich die Materie zusammen, wobei sich in der Mitte die Sonne bildete. Um die Sonne herum formten sich zunächst unzählige kleinere Himmelskörper ? so genannte Planetesimale. Viele dieser Planetesimale kollidierten miteinander und wuchsen so zu den heutigen Planeten heran.

Gravitative Wechselwirkungen zwischen den Planeten und den verbliebenen Planetesimalen sorgten für "Wanderungen" der Planeten. Insbesondere zeigte Renu Malhotra von der Universität von Arizona vor zehn Jahren, dass Neptun in der Anfangszeit des Sonnensystems um mindestens 7 Astronomische Einheiten nach außen gewandert sein muss. Eine Astronomische Einheit (AE) entspricht dem Abstand Erde-Sonne ? das sind etwa 150 Millionen Kilometer.

Malhotra berechnete, dass so die heutigen Bahnen von Pluto und den Plutinos erklärt werden können. Die Plutinos sind kleine Himmelskörper im Kuiper-Gürtel, deren Bahn genau wie die von Pluto in einer 2:3-Resonanz zur Neptunbahn steht: In der gleichen Zeit, in der Neptun die Sonne dreimal umkreist, umkreisen Pluto und die Plutinos sie exakt zweimal.

Morbidellis Team hat vor kurzem in einer Modellrechnung gezeigt, dass die ursprüngliche Planetesimalen-Scheibe genau dort endete, wo sich Neptun heute befindet, nämlich 30 AE von der Sonne entfernt. Zum einen erklärt das, warum Neptuns Wanderung nach außen hier stoppte. Denn es gab keine Objekte mehr, von denen er Energie hätte gewinnen können, um sich im Gravitationsfeld der Sonne weiter nach "oben" zu bewegen.

Zum anderen erklärt das, warum die Massendichte im heutigen Kuiper-Gürtel, der sich in einer Sonnenentfernung zwischen 30 AE und 50 AE befindet, so gering ist: Bevor Neptun damit anfing, ihn mit Objekten aus der ursprünglichen Planetesimal-Scheibe aufzufüllen, war dieser Bereich ganz leer. Zudem ging Neptun bei seinen "Aufräumarbeiten" nicht sehr sorgsam vor: Nur ein kleiner Bruchteil der Planetesimale landete im Kuiper-Gürtel, und etwa 99,9 Prozent der Objekte flogen auf Nimmerwiedersehen aus unserem Sonnensystem hinaus.

Es gibt zwei Mechanismen, mit denen Neptun Planetesimale in den Kuiper-Gürtel beförderte. Zum einen wurden Planetesimale durch nahe Vorbeiflüge an Neptun von ihrer Bahn abgelenkt. Ein kleiner Bruchteil dieser Objekte befindet sich heute im Kuiper-Gürtel.

Zum anderen ? das hatte bereits Malhotra gezeigt ? werden Objekte, die in eine 2:3- oder eine 1:2-Resonanz zu Neptun geraten, von ihm "gefangengehalten": Während Neptun weiter nach außen wanderte, bewegten sich alle Objekte, die einmal in Resonanz zu ihm geraten waren, entsprechend mit nach außen ? und zwar so, dass die Bahnresonanz bestehen blieb.

Ganz perfekt funktionierte dies allerdings nicht. Nach und nach fielen immer wieder Objekte aus der Resonanz heraus. Deshalb sind die Objekte im Kuiper-Gürtel heute über die gesamte Breite des Gürtels verteilt und bewegen sich nicht nur auf Resonanzbahnen.

Morbidelli weist darauf hin, dass noch nicht alle Planetenwanderungen im Sonnensystem verstanden sind. Aus Einschlägen auf dem Mond und anderen Himmelskörpern weiß man, dass es 700 Millionen Jahre nach der Entstehung des Mondes im Sonnensystem ein heftiges Bombardement mit Planetesimalen gegeben hat ? wahrscheinlich verursacht von einer Planetenwanderung. Doch wer der schuldige Planet war und warum er so spät nach Entstehung des Sonnensystems noch wanderte, ist ungeklärt.
Axel Tillemans


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