Wissenschaftler untersuchen das Sonnensystem weiterhin und es sieht sehr interessant aus. Zum Beispiel enthalten moderne Planetenbahnen Hinweise, die die rauen Bedingungen des Ursprungs des Sonnensystems offenbaren - und möglicherweise die Existenz eines interstellaren Riesen, der vor langer Zeit in die Irre gegangen ist. Unser Sonnensystem ist wie ein Tatort, der vor 4,6 Milliarden Jahren passiert ist.
Moderne Umlaufbahnen enthalten Hinweise, die die rauen Bedingungen des Ursprungs des Sonnensystems aufzeigen - und möglicherweise die Existenz eines interstellaren Riesen, der vor langer Zeit in die Irre gegangen ist.
Unser Sonnensystem ist wie ein Tatort, der vor 4,6 Milliarden Jahren passiert ist.
Mit Kratern übersäte Oberflächen, verschobene Planetenbahnen und Wolken aus interplanetaren Trümmern sind kosmische Analoga von Blutspritzer an der Wand und Bremsspuren eines Autos, das eine Verfolgung hinterlässt. Diese und andere Hinweise erzählen von den chaotischen Ursprüngen unserer Planetenfamilie.
Unter diesen Fußabdrücken lauern Hinweise auf ein verlorenes Geschwister, den Planeten 9 (nein, nicht Pluto), der im Tauziehen der Gravitation, das die ursprüngliche Entstehung des Sonnensystems begleitete, weggeworfen wurde.
Heutzutage dominieren vier riesige Planeten die Peripherie des Sonnensystems: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Hinter ihnen befindet sich der Kuipergürtel - ein Feld aus Eisscherben, unter denen sich Pluto befindet.
„Denken Sie nicht, dass die Peripherie des Sonnensystems immer dieselbe war wie jetzt“, sagt David Nesvorny, Planetenwissenschaftler am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, der sich 2011 erstmals für die Existenz eines flüchtigen Planeten aussprach. Jahr.
Nesvorni gehört zu einer Gruppe von Wissenschaftlern, die herausfinden wollen, wie sich das Sonnensystem in den ersten hundert Millionen Jahren seines Bestehens entwickelt hat. Mithilfe ausgefeilter Computermodelle erstellten die Forscher eine Chronologie der Kollisionen zwischen neugeborenen Planeten, die relativ nahe beieinander entstanden - sie glitten abwechselnd und sprangen von einer Umlaufbahn zur anderen. Diese Modelle haben viele kleine Details darüber enthüllt, wie sich Planeten, Asteroiden und Kometen heute um die Sonne drehen.
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Es gab nur ein Problem. In der Regel endeten simulierte Szenarien damit, dass entweder Uranus oder Neptun aus dem Sonnensystem vertrieben wurden, wie Nesvorny im September im Jahresbericht über Astronomie und Astrophysik schrieb.
Da Uranus und Neptun in Wirklichkeit an ihren Plätzen bleiben - Raumschiffe haben beide besucht -, hat etwas in diesen Szenarien nicht geklappt. Wie viele Forscher vermuten, könnte ein Schlüsselspieler in diesem Rätsel und ein fehlendes Glied in der Geschichte des Sonnensystems der fünfte Riesenplanet sein.
Verlorener Planet
Astronomen verlassen sich auf Computermodelle, um diese alten Szenen nachzubilden und Tausende verschiedener Sonnensysteme auf tausende verschiedene Arten zu erschaffen. Sie übersetzen die Gesetze der Physik und alle anfänglichen Planetenpositionen, die ihnen einfallen, in Programmcode. Der Forscher legt die Parameter fest - ein Planet hier, ein Haufen Asteroiden dort - und lehnt sich dann in seinem Stuhl zurück und lässt die simulierte Umgebung die ganze Arbeit für ihn erledigen. Nach ein paar Wochen in Echtzeit - Millionen von Jahren im Modell - überprüft der Astronom die Ergebnisse, um festzustellen, was mit dem Sonnensystem passiert ist. Je näher es der Realität ist, desto erfolgreicher ist das Modell.
Dies hat Nesvorni 2009 getan. Er befasste sich mit virtuellen Sonnensystemen, um virtuellen Uranus und virtuellen Neptun von ihren virtuellen Pfaden im Weltraum zu retten.
Das Problem war Jupiter, ein riesiger Hooligan-Planet, dessen Schwerkraft weit genug reichen kann, um von kleineren Planeten und verschiedenen Trümmern herumgeschubst zu werden. In der bislang erfolgreichsten Simulation prallten Jupiter und einer der beiden äußeren Planeten voneinander ab und ließen sich schließlich in ihren gegenwärtigen Umlaufbahnen nieder. Dies geschah jedoch nur bei einem Prozent aller Modelle. In den verbleibenden 99% der Fälle warf Jupiter Uranus oder Neptun so hart, dass sie das Sonnensystem verließen und nie wieder dorthin zurückkehrten.
"Dies machte die Situation sehr mysteriös, da wir wussten, dass Uranus und Neptun in ihrer gegenwärtigen Form weiter existierten", sagt Nesvorni. Also experimentierte er weiter. Nachdem er ein Jahr lang unzählige verschiedene Szenarien simuliert hatte, begann er darüber nachzudenken, Märtyrerplaneten hinzuzufügen - zusätzliche Planeten, die geopfert wurden, um den Rest zu retten.
"Ich habe nur ihre Existenz simuliert, um zu sehen, was passiert ist, und nicht, weil ich die Idee selbst ernst meinte", sagt Nesvorni. "Aber dann wurde mir klar, dass es ein vernünftiges Korn geben könnte." Er führte ungefähr 10.000 Szenarien durch und änderte die Anzahl der zusätzlichen Planeten, ihren ursprünglichen Standort und die Masse jedes einzelnen.
Die beste Option, die den aktuellen Zustand unseres Sonnensystems am genauesten vorhersagte, stellte sich als eine heraus, bei der sich der zusätzliche Planet zwischen den ursprünglichen Umlaufbahnen von Saturn und Uranus befand. In Bezug auf die Masse war der Planet ungefähr gleich Uranus und Neptun und fast 16-mal größer als die Erde. Es ist solch ein Planet, der mit der Umlaufbahn des Jupiter kollidieren und aus dem Sonnensystem herausfliegen könnte.
Die Grafik zeigt, wie sich der Abstand zwischen den Planeten und der Sonne im Laufe der Zeit verändert hat. In den ersten Millionen Jahren des Computermodells änderten sich die Umlaufbahnen langsam, dann gab es einen engen Kontakt zwischen Saturn (grün) und einem zusätzlichen Planeten (lila), was zur Destabilisierung der Umlaufbahnen führte. Gepunktete Linien geben die aktuellen Größen der Umlaufbahnen an. (Quelle: entnommen aus Materialien von D. Nesvorny / Abteilung für Astronomie und Astrophysik der Zeitschrift Knowable, 2018.)
Die Chancen sind immer noch gering. In nachfolgenden Modellen endete diese Ausrichtung in etwa fünf Prozent der Fälle mit Erfolg. „Die Existenz des Sonnensystems in seiner jetzigen Form ist weder typisch noch vorhersehbar“, stellte Nesvorny 2012 in einem Artikel fest, der gemeinsam mit seinem Kollegen Alessandro Morbidelli vom Observatorium der französischen Riviera verfasst wurde. Trotzdem war das Modell eine signifikante Verbesserung gegenüber der Erfolgsquote von 1% für jene Modelle, die nur die vier Riesenplaneten enthielten, die wir heute kennen und lieben.
"Die Annahme eines fünften Planeten macht es viel einfacher zu erklären, was passiert", sagt Sean Raymond, Planetenwissenschaftler an der Universität von Bordeaux in Frankreich. Und obwohl die Beweise größtenteils Indizien sind, "ist es viel logischer anzunehmen, dass es damals auch einen fünften Planeten gab."
Dies scheint eine sehr kontroverse Annahme zu sein. Wie können Astronomen etwas über das wissen, was vor vier Milliarden Jahren passiert ist, selbst mit den Planeten, die wir jetzt beobachten können, geschweige denn mit denen, von denen wir nichts wissen? Es stellt sich jedoch heraus, dass die Planeten viele Kampfnarben der Jugend als Beweis für Detektive der Zukunft hinterlassen haben.
Interplanetare Blutspritzer
"Wir sind mehr als zuversichtlich, dass die Planeten nicht dort entstanden sind, wo sie heute sind", sagte Nathan Keib, ein Planetenwissenschaftler an der Universität von Oklahoma in Norman.
Diese Erkenntnis ist jedoch erst vor kurzem eingetreten. Während des größten Teils der Geschichte hatten Astrologen keinen Zweifel daran, dass sich die Planeten immer in ihren gegenwärtigen Umlaufbahnen befanden. Anfang der neunziger Jahre stellten die Forscher jedoch fest, dass in einem solchen Modell etwas fehlte.
Neptun und Triton.
Gleich hinter der Umlaufbahn von Neptun liegt der Kuipergürtel, eine Streuung von Eisresten, die die Sonne umgibt. "Dies ist unser Blutspritzer an der Wand", sagt Konstantin Batygin, Planetologe am California Institute of Technology.
Die Position der Objekte des Kuipergürtels führte die Forscher zu der unvermeidlichen Schlussfolgerung: Neptun hätte sich viel näher an der Sonne bilden sollen, als die aktuelle Position vermuten lässt. Viele Objekte des Kuipergürtels klumpen in konzentrischen Bahnen zusammen, die vage den Rillen einer Musikplatte ähneln. Diese Umlaufbahnen sind kaum zufällig - sie stehen in direktem Zusammenhang mit Neptun.
Zum Beispiel ist Pluto der berühmteste Bewohner des Kuipergürtels. Er und ein paar hundert seiner uns bekannten Mitreisenden machen genau zwei Umdrehungen um die Sonne in den drei, die Neptun im gleichen Zeitraum macht. Andere Trümmerströme im Gürtel machen eine vollständige Umdrehung für jeweils zwei, die Neptun abschließt - oder vielmehr vier für jeweils sieben.
Der Kuipergürtel konnte ohne äußeren Einfluss nicht auf diese Weise hergestellt werden. Wenn wir jedoch annehmen, dass Neptun näher an der Sonne auftauchte und sich dann nach außen bewegte, wäre seine Gravitationskraft stark genug, um interplanetare Trümmer in seinen Netzen aufzufangen und in diese ungewöhnlichen Umlaufbahnen zu schicken.
Dieses Modell zeigt, wie sich die enge Anordnung der äußeren Planeten (Bild links) im Laufe der Zeit ändern kann. Die Umlaufbahnen von Jupiter und Saturn konvergieren (mittleres Bild), was zu einer Änderung aller anderen Umlaufbahnen führt. Speziell in diesem Modell werden Uranus und Neptun getauscht. Nach einer Weile werden (Bild rechts) Weltraummüll verstreut - ein Teil davon setzt sich im Kuipergürtel ab, während sich die Planeten in Richtung ihrer gegenwärtigen Umlaufbahnen bewegen. (Quelle: angepasst von Astromark / Wikimedia Commons.)
Dies stimmte mit den Vorhersagen einiger Modelle überein, die ein Jahrzehnt zuvor erhalten worden waren.
Die Bildung der Planeten hinterließ eine Menge Trümmer, die im gesamten Sonnensystem verstreut waren. Alle Fragmente, die Neptun zu nahe kamen, würden unweigerlich unter den Einfluss seiner Schwerkraft fallen. Da auf jede Aktion eine gleiche Widerstandskraft folgt, bewegte sich Neptun jedes Mal, wenn er auf die Scherbe drückte, selbst in die entgegengesetzte Richtung. Langsam aber sicher kroch Neptun von der Sonne weg.
Der Migrationsprozess von Neptun gilt auch für andere Riesenplaneten. Immerhin gingen Jupiter, Saturn und Uranus durch dasselbe Trümmerfeld und befassten sich mit ähnlichen Gravitationswechselwirkungen. Und wenn Neptun an einen neuen Ort gezogen wäre, hätte das auch bei allen anderen Riesenplaneten passieren sollen.
Und dieser Prozess verlief eindeutig nicht reibungslos.
Kontinuierliche Kollisionen mit all diesen Trümmern hätten die Umlaufbahnen der Riesenplaneten in perfekte, schlanke Kreise verwandeln sollen - genau wie Ton auf einer Töpferscheibe von der festen Hand eines Töpfers geglättet wird. Die Umlaufbahnen erwiesen sich jedoch als ganz anders. Stattdessen bewegen sich die Riesenplaneten in leicht verlängerten und verzerrten Bahnen. Als ob jemand ein Rad schlagen würde und die einst runden Töpfe umformen würde.
Jupiter springt
Bis 2005 hatten Forscher den Täter identifiziert. Die neuen Modelle deuteten darauf hin, dass die Riesenplaneten irgendwann eine sogenannte "dynamische Instabilität" durchliefen. Mit anderen Worten, für ungefähr eine Million Jahre verwandelte sich alles in einen verrückten Wirbelwind. Der wahrscheinlichste Grund dafür schien eine Reihe von Kollisionen zwischen Saturn und Uranus oder Neptun - das heißt einer der Eisriesen - zu sein, die einen von ihnen direkt in Richtung Jupiter schickten. Sobald sich der verlorene Planet näherte, zog seine Schwerkraft Jupiter, verlangsamte ihn und drückte ihn in eine engere Umlaufbahn. Jupiter zog den eindringenden Planeten jedoch mit nicht weniger Kraft. Der Eisriese, der viel leichter war, beschleunigte viel mehr, als Jupiter langsamer wurde und sich von der Sonne entfernte.
Ein solcher Vorfall wäre ein Gravitationspogrom für das Sonnensystem. Jupiter sprang tiefer nach innen, während der Rest der äußeren Planeten nach außen sprang. Ein solcher Schub würde die Umlaufbahnen der Riesenplaneten in ihren gegenwärtigen Zustand bringen. Darüber hinaus würde es das innere Sonnensystem - Merkur, Venus, Erde, Mars und den Asteroidengürtel - vor der Schwerkraft von Jupiter und Saturn bewahren, was in den frühesten Modellen ein weiteres Problem darstellte.
Das bringt uns zur Entfernung von Uranus oder Neptun aus dem System. In dieser Phase der Simulation wirft Jupiter am häufigsten einen der Eisriesen weg.
Dies ist genau das Problem, das Nesvorny zu lösen versuchte, ohne alles andere in den funktionierenden Simulationen zu zerstören. Der zusätzliche Eisriese nimmt die Hauptlast des Schlags von Jupiter und gibt dem Rest des Szenarios die Möglichkeit, sich ungehindert zu entfalten.
"Das ist durchaus plausibel", sagt Batygin. "Es ist überhaupt keine Tatsache, dass es immer genau zwei statt drei Eisriesen gegeben hat." Im Gegenteil, sagt er, einige Berechnungen erlauben die ursprüngliche Existenz von bis zu fünf Neptun-ähnlichen Planeten.
Batygin und seine Kollegen untersuchten dieses Problem parallel zu Nesvorni, allerdings aus verschiedenen Gründen. "Ich wollte zeigen, dass es keinen zusätzlichen Riesenplaneten geben kann", sagt Nesvorni.
Jupiters großer roter Fleck. Foto aufgenommen von Voyager 1.
Er argumentierte, dass dieser mutmaßliche Planet auf seinem Weg aus dem Sonnensystem hier und da eine Spur im Kuipergürtel hinterlassen haben muss, in einem Gebiet, das als "kalter klassischer Gürtel" bekannt ist. Wenn der Kuipergürtel ein Donut wäre, fährt Batygin fort, würde der kalte klassische Gürtel zu seiner Schokoladenfüllung werden - eine Ansammlung von Objekten, deren Umlaufbahnen sich praktisch in derselben Ebene innerhalb des Kuipergürtels befinden. Ein vorbeiziehender Planet hätte diese Umlaufbahnen stören müssen - zumindest, so glaubten Batygin und seine Kollegen.
Ihre Computermodelle zeigten, dass nichts dergleichen passiert war. Zu ihrer Überraschung hätte der verbannte Planet den kalten klassischen Gürtel auf dem Weg nach draußen nicht zerstört. Dies beweist nicht die Existenz des Planeten - das erhaltene Ergebnis zeigt nur, dass das Sonnensystem in seiner gegenwärtigen Form sowohl mit als auch ohne ihn existieren könnte. Könnte dieser Planet einen klareren Fußabdruck hinterlassen haben? Oder gibt es, wenn wir zur Analogie zum Tatort zurückkehren, irgendwelche Spuren von Schleudern? Nesvorni glaubt, dass solche Spuren gut bleiben könnten.
Kern der Wahrheit
Es gibt einen anderen Teil des Kuipergürtels - einen schmalen Strom eisiger Trümmer, der als Kern bezeichnet wird und dessen Umlaufbahnen nicht der aktuellen Position von Neptun entsprechen. Sein Ursprung ist ein Rätsel. Im Jahr 2015 argumentierte Nesvorni, dass der Grund für alles vielleicht die Bewegung von Neptun von der Sonne sein könnte, die von einem vergangenen Planeten provoziert wird.
Als Neptun sich in seine endgültige Umlaufbahn bewegte und die Trümmer in Bahnen fegte, die mit seiner eigenen übereinstimmten, konnte es irgendwann freigelegt werden, das genug von diesen Trümmern freisetzte, um seinen eigenen Strom zu bilden.
Modelle haben gezeigt, dass der gleiche Gravitationseinfluss, der dazu führen könnte, dass Jupiter von Umlaufbahn zu Umlaufbahn springt und den zusätzlichen Planeten aus dem Sonnensystem drückt, zum richtigen Zeitpunkt auch für Neptun eintreten könnte.
"Das Ergebnis ist so etwas wie ein Kernel", sagt Nesvorni. "Dies ist ein Indizienbeweis … es ist nicht schlüssig."
In Wahrheit werden wir nie genau wissen, was während seiner Entstehung im Sonnensystem passiert ist. "Wir können die Bibel des Sonnensystems nicht schreiben", sagt Batygin. "Wir können nur sehr allgemein über diese Ereignisse sprechen."
Wenn einer der Bewohner des Sonnensystems tatsächlich von seinen Grenzen vertrieben wird, ist er in guter Gesellschaft. In den letzten Jahren haben Astronomen mehrere Schurkenplaneten gefunden, die zwischen den Sternen schwebten und höchstwahrscheinlich auch aus ihren Häusern geworfen wurden. Die Ergebnisse dieser Entdeckung auf den Rest der Galaxie projizierend: „Es gibt weit mehr frei fliegende Planeten von der Größe des Jupiter als Sterne“, sagt Nesvorni.
Dies mag übertrieben sein - nach jüngsten Schätzungen gibt es nur einen Jupiter-ähnlichen Planeten pro vier Sterne -, aber es sind immer noch Milliarden von durchstreifenden Welten. Und dies sind nur diejenigen, deren Größe mit Jupiter vergleichbar ist. Unser Ausgestoßener war wahrscheinlich kleiner - ungefähr so groß wie Neptun; und wir haben keine Ahnung, wie viele solcher Körper die Galaxie durchstreifen. Aber wir wissen, dass das Universum eher kleine als große Körper bevorzugt.
"Ich wette, es gibt viele von ihnen", sagt Nesvorni. Unter anderem haben Astronomen Tausende von Sternensystemen in der Milchstraße entdeckt, und viele von ihnen zeigen Anzeichen von Kollisionen in einem viel größeren Maßstab als dem oben diskutierten. "Es ist erstaunlich", sagt Nesvorni, "wie ordentlich das Sonnensystem geblieben ist."
Christopher Crockett
