Kosmogonie. Entstehung des Sonnensystems

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1 Kosmogonie Entstehung des Sonnensystems

2 Sonnensystem Dr. R. Göhring VII-2 Quelle: NASA/JPL

3 Bildung der protoplanetaren Scheibe Während des Kollaps eine großen interstellaren Wolke bilden sich Wolken-Fragmente, deren Masse größer als die Jeans-Masse ist. Diese Fragmente kollabieren selbst wieder zu einzelnen Sternen. Bild: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF Durch den vorhandenen Drehimpuls der Gasmasse bildet sich eine Scheibe aus: entlang der Rotationsachse unterliegt das Gas nahezu ausschließlich der Gravitation; senkrecht zur Rotationsachse überwiegt die Fliehkraft, so daß die Scheibe immer flacher wird. Dr. R. Göhring VII-3

4 Akkretionsscheiben Quelle: Wikipedia Dr. R. Göhring VII-4

5 Dr. R. Göhring VII-6 Die Umgebung von HL Tauri in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Oben rechts die ALMA-Beobachtungen der Staubscheibe um den Stern. Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESA/Hubble und NASA / Judy Schmidt

6 Junge Sterne leben gefährlich Sternentstehungsgebiet W5 im Sternbild Kassiopeia aufgenommen von dem IR- Satteliten Spitzer. W5 ist Lichtjahre von uns entfernt. Helle, junge Sterne mit ca. 20-facher Sonnenmasse blasen das Material aus der Umgebung der kleineren, sonnenähnlichen Sterne. Die sonnenähnlichen Sterne sind 2 bis 3 Millionen Jahre alt. Planetenentstehung wird so unterdrückt. Bild: NASA / JPL-Caltech / Harvard-Smithsonian CfA Dr. R. Göhring VII-7

7 Staubkonzentration Die Materie der protoplanetaren Scheibe besteht aus Gas im wesentlichen Wasserstoff uns Helium, in das 1 mm große Partikel des interstellaren Staubes eingelagert sind. Die Partikel werden in Wirbeln oder Spiralarmen konzentriert. An den Stellen erhöhter Staubkonzentration lagern sich die Partikel erst zu linearen Ketten, Verzweigungen und schließlich zu komplexen fraktalen Strukturen durch Vander-Waals-Kräfte zusammen. Quelle: Ab einer Größe von ca. 1 cm werden die Staubflocken komprimiert und koppeln sich Gasstrom ab. Dr. R. Göhring VII-8

8 Staubwachstum Quelle: Dr. R. Göhring VII-9

9 Vom Staubkorn zum Planetesimal Der Begriff wurde durch den amerikanischen Geologen T.C. Chamberlin eingeführt als Kombination aus Planet und infinitesimal. Man versteht darunter Objekte von einem Durchmesser bis zu einem Kilometer. Planetesimale entstehen durch sukzessive Anlagerung von Staubflocken niedriger Relativgeschwindigkeit. Der Zusammenhalt wird hier noch durch die Van-der- Waals-Kräfte bewerkstelligt. Die Eigengravitation spielt bei diesen Objekten noch keine Rolle. Dr. R. Göhring VII-10

10 Asteroiden Asteroid Ida Asteroiden sind Objekte, größer als 1km Durchmesser, so daß sie Objekte ihrer Umgebung gravitativ binden können. Der Kollisionsquerschnitt ein Maß für die Wahrscheinlichkeit der Kollision zweier Objekte wächst mit der 4. Potenz des Objektradius. Große Objekte wachsen auf Kosten kleinerer Objekte. Asteroiden bleiben so klein, daß sie keine Kugelform annehmen und erscheinen im Fernrohr als Lichtpunkt, deshalb der Name. Offiziell als Kleinkörper (auch Kleinplaneten) bezeichnet. Quelle: Wikipedia Dr. R. Göhring VII-11

11 Asteroid Frankfurt Quelle: Die Amateurastronomen Erwin Schwab und Rainer Kling sind seit 2006 an der Taunus-Sternwarte des Physikalischen Vereins auf der Jagd nach kleinen Planeten. Sie können bereits auf etliche Entdeckungen verweisen. Nun trägt einer ihrer ersten Kleinplaneten-Entdeckungen offiziell den Namen "Frankfurt". Kling und Schwab fanden den Asteroiden mit ungefähr 2 bis 3 Kilometern Durchmesser in der Nacht vom 15. auf den 16. September Zum Zeitpunkt der Entdeckung befand er sich an seinem nächsten Punkt zur Erde in rund 280 Millionen Km Entfernung (Lichtlaufzeit 15 Minuten). Kleinplanet Frankfurt bewegt sich auf einer fast kreisförmigen Bahn zwischen Mars und Jupiter. Für einen Umlauf um die Sonne braucht er 4,5 Jahre. Dr. R. Göhring VII-12

12 Zwergplanet Ceres Große Objekte bewirken durch ihre Gravitation einen ständigen Beschuß durch kleinere, der sie zum Aufschmelzen bringt. Ein weiterer Beitrag zur hohen Temperatur liefern radioaktive Elemente. Sie sind so groß, daß sie nach dem Aufschmelzen im hydrostatischen Gleichgewicht eine runde Form angenommen haben. Quelle: Wikipedia In dieser Form kühlen sie langsam ab, wobei sich dabei die chemischen Bestandteile trennen: schwere Elemente, z.b Fe, sinken nach innen, Silikate bleiben in der Kruste. Definition der Begriffe Zwergplanet und Planet durch IAU vom 24. August 2006 Dr. R. Göhring VII-13

13 Definition der IAU für Kleinplaneten und Planeten Ein Himmelskörper ist ein Zwergplanet, wenn er sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und über eine ausreichende Masse verfügt, um durch seine Eigengravitation eine annähernd runde Form (hydrostatisches Gleichgewicht) zu bilden und die Umgebung seiner Bahn nicht bereinigt hat (d.h. weitere Körper auf ähnlichen Umlaufbahnen vorkommen) und kein Mond ist. Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn er sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und über eine ausreichende Masse verfügt, um durch seine Eigengravitation eine annähernd runde Form (hydrostatisches Gleichgewicht) zu bilden und die Umgebung seiner Bahn bereinigt hat (d.h. keine weitere Körper auf ähnlichen Umlaufbahn vorkommen) und kein Mond ist. Dr. R. Göhring VII-14

14 Entstehung der (Stein-) Planeten Bei Objekten mit einem Radius von 1 km ist Gravitation bestimmend für die Wechselwirkung mit der Umgebung. Der Kollisionsquerschnitt verantwortlich für die Wechselwirkung des Objektes mit der Umgebung wächst mit der 4. Potenz des Radius. Die Zahl der Zusammenstöße wird so sehr stark erhöht. Große Objekte wachsen so auf Kosten der kleinen. Abschätzungen ergeben, daß aus einem Objekt mit einem Radius von 1 km in ca Jahren ein Planet in der Größe der Erde entstehen kann. Bild: NASA/JPL-Caltech Dr. R. Göhring VII-15

15 Scheegrenze Mit wachsendem Abstand von der Sonne nimmt die Staubdichte (im Verhältnis zu der Gasdichte) immer mehr ab, so daß die Planetenentstehung immer mehr abnimmt. Jenseits der Bahn des Mars kommt daher die Entstehung von Planeten zum erliegen und es bilden sich höchstens noch Zwergplaneten (z.b. Ceres). In den kälteren Regionen der Akkretionsscheibe bei Temperaturen unter 170 K kondensiert der Wasserdampf an den Staubteilchen zu Eis und das Verhältnis Staub : Gas ändert sich dramatisch: T > 170 K M Staub : M Gas ~ 1:240 T < 170 K M Staub : M Gas ~ 1:60 Diese Grenze, die Schneegrenze liegt zwischen Mars- und Jupiterbahn. Jenseits der Schneegrenze ist der Staubanteil vier mal höher als davor; so können wieder Planeten entstehen die großen Gasplaneten. Dr. R. Göhring VII-16

16 Die Großen Gasplaneten Neptun Uranus Saturn Die Entwicklung der großen Gasplaneten verläuft zunächst genau so wie bei den erdähnlichen Planeten. Wenn allerdings die Masse des neuen Planeten M Planet > 5 M Erde ist, dann beginnt er, das Gas aus der Akkretionsscheibe einzusammeln. Wieviel Gas solch ein Planet akkregieren kann, hängt davon ab, wie hoch die Temperatur der Gashülle wird, bzw. wie schnell er die entstandene Temperatur wieder abstrahlen kann. Quelle: Wikipedia Jupiter So war z.b. der Jupiter im Stande, 300 Erdmasse an Gas an sich zu binden. Dr. R. Göhring VII-18

17 Monde des Sonnensystems Quelle: Wikipedia Dr. R. Göhring VII-20

18 Szenarien zur Entstehung der Monde Quelle: Die Monde des Jupiters und des Saturn entstanden wahrscheinlich aus einer Akkretionsscheibe des Planeten. Die beiden Monde Phobos und Diemosdes Mars sind eingefangenene Planetoiden. Der Mond der Erde entstammt einem Zusammenprall der Erde mit einem Objekt der Größe des Mars. Dadurch wurde Material der Erdkruste in das All geschleudert und fügte sich zu dem Mond zusammen. Die große Ähnlichkeit von Mondmaterial mit dem der Erdkruste spricht für diese Annahme. Dr. R. Göhring VII-21

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