Elektrostatik und der Ursprung des Sonnensystems

Die Nebularhypothese, die zuerst von dem französischen Rationalisten Pierre-Simon Laplace im 18. Jahrhundert vorgeschlagen wurde, ist immer noch die aktuelle Standard-Erklärung für den Ursprung unseres Sonnensystems. Danach ist das Sonnensystem durch den gravitationellen Kollaps einer Gas- und Staubwolke entstanden, was zu einer ähnlichen Struktur wie die heute beobachtbaren Saturnringe geführt haben soll (Brasser & Mojzsis 2020). Obwohl die Nebularhypothese weithin akzeptiert ist, gibt es immer noch Probleme, die die Astronomen bisher nicht lösen konnten, zum Beispiel die Ausrichtung der Rotationsachse der Planeten. Die Rotationsachse der meisten Planeten im Sonnensystem ist nämlich mehr oder weniger geneigt. Bei der Erde beträgt die Neigung 23 Grad und sie ist für die Jahreszeiten verantwortlich. Nach der Nebularhypothese müssten alle Planeten um einen Stern in gleicher Weise geneigt sein. Das ist aber nicht der Fall. Um diese Unterschiede zu erklären, müssen Ad-hoc-Hypothesen wie das Passieren von anderen Himmelskörpern und Kollisionen mit ihnen aufgestellt werden.

Die klassische Schwäche dieser Theorie ist jedoch, dass sie nicht erklärt, wie Staub und Gas kollabieren und sich zu größeren Körpern zusammenlagern konnten, sodass die Schwerkraft sie zu Planeten zusammenschmieden konnte. Wenn die frühen Proto-Planeten unseres Sonnensystems mit den Ringen des Saturn vergleichbar sind, ist die Nebularhypothese in großen Schwierigkeiten. Denn Planetenforscher haben entdeckt, dass die Ringe des Saturn nicht zu immer größeren Körpern werden, sondern im Laufe der Zeit verschwinden. Neue Daten belegen sogar, dass sie für kosmische Verhältnisse sehr schnell verschwinden (Pailer 2019). Die Beobachtungen der Cassini-Huygens-Raumsonden, die vor wenigen Jahren am Saturn vorbeiflogen, deuten darauf hin, dass das gesamte Ringsystem in maximal 300 Millionen Jahren verschwunden sein wird (O’Donoghue et al. 2019). Anstatt neue Monde zu bilden, werden sich die Ringe auflösen und von Saturn absorbiert werden.

Nach der Nebularhypothese bestehen die allerersten Planetensamen aus mikrometergroßen Staubkörnern, die aneinanderstoßen und zu winzigen Körperchen zusammenwachsen, bis sie sich zu größeren Klumpen verdichten. Dabei ist aber problematisch, dass die Schwerkraft eine sehr schwache Kraft und nicht in der Lage ist, Gase und Staub zu größeren Körpern zusammenzulagern. Wenn Staubklumpen von etwa einem Millimeter Größe kollabieren, werden sie wie Billardkugeln voneinander abprallen. Die Abprallkräfte sind größer als die Anziehungskraft der Schwerkraft und verhindern so die Verdichtung zu größeren Körpern. Simulationen und mathematische Analysen deuten darauf hin, dass sich in der inneren protoplanetaren Scheibe keine größeren Teilchen bilden könnten, um die zur Planetenbildung notwendige Zusammenlagerung zu fördern. Wie konnten sich also Planeten aus Staubringen bilden?

Da sich positiv und negativ geladene Teilchen viel stärker als die Schwerkraft gegenseitig anziehen, vermuten Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen nun, dass elektrische Kräfte die Erzeugung von Planeten begünstigt haben (Steinpliz et al. 2019). Um zu untersuchen, wie sich fallende Objekte in der Mikrogravitation des Weltraums verhalten, nutzten sie den 120 Meter hohen Bremer Fallturm. Mit dem eingebauten Katapult des Turms schossen sie eine Vakuum-Kammer mit 0,4 Millimeter großen Glasperlen in Richtung Turmspitze und ließen sie dann fallen, wobei sie die Perlen mit einer in der Fallkammer installierten Hochgeschwindigkeitskamera beobachteten. Sie stellten fest, dass sich die Perlen durch statische Elektrizität elektrisch aufladen und in Bündeln von bis zu mehreren Zentimetern Durchmesser zusammenklebten. Die Forscher vermuten, dass zusammenstoßende und aneinanderreibende Partikel in Weltraum-Staubringen auf ähnliche Weise elektrisch geladen werden und Aggregate bilden können. Kollisionen zwischen Teilchen in einem Geschwindigkeitsbereich, der in protoplanetaren Scheiben zu finden ist, können Aggregate von mehreren Zentimetern Größe erzeugen; vorausgesetzt, dass es Partikel mit positiven und negativen elektrischen Ladungen gab, die durch Partikelkollisionen erzeugt wurden – auf ähnliche Weise wie im Fallturm. Die Aggregate können sich danach mit Hilfe der Schwerkraft noch weiter verklumpen und schließlich zu Planeten werden (O’Donoghue et al. 2019). Ob dies geschieht, hängt von den relativen Raten der Aufladung gegenüber der Entladung und der Partikelkollisionen gegenüber der Dispersion ab.

Auch wenn elektrische Kräfte zur Bildung größerer Staubansammlungen beitragen können, zeigen die allmählich verschwindenden Ringe des Saturn, die aus kleineren und größeren Trümmerblöcken bestehen, dass es nicht in jedem Fall zu einer weiteren Aggregation kommt. Es ist offensichtlich, dass die Aufklärung der Details der Beziehungen zwischen Aufladung und Aggregation in protoplanetaren Scheiben beträchtliche zusätzliche Studien erfordert (Steinpliz et al. 2019).

P. Borger

[Brasser R & Mojzsis SJ (2020) The partitioning of the inner and outer Solar System by a structured protoplanetary disk. Nat. Astron., https://doi.org/10.1038/s41550-019-0978-6 • Pailer N (2019) Das kurze Leben des Saturnrings. Stud. Integr. J. 26, 46–47 • O’Donoghue J, Moore L, Connerney J, Melin H, Stallard TS, Miller S & Baines KH (2019) Observations of the chemical and thermal response of ‘ring rain’ on Saturn’s ionosphere. Icarus 322, 251–260 • Steinpilz T, Joeri K, Jungmann F. et al. (2019) Electrical charging overcomes the bouncing barrier in planet formation. Nat. Phys., doi:10.1038/s41567-019-0728-9]