Fliegender Wechsel

Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun – das ist heute die altbekannte Abfolge der äußeren Planeten. Und in dieser Reihenfolge, so dachte man lange Zeit, sind diese Himmelskörper auch einst in der Urwolke entstanden. Doch das stimmt nicht: Steve Desch von der Arizona State University stieß vor einigen Jahren auf Indizien, die auf einen urzeitlichen Platztausch hindeuteten.

Das Sonnensystem in seinre Frühzeit, noch kreist Neptun innen. © gemeinfrei

Man nehme….

Der Forscher war damals dabei, die genaue Dichte des solaren Urnebels zu berechnen. Denn aus dem Verhältnis von Masse zu Fläche in der protoplanetaren Scheibe lässt sich ermitteln, wie schnell und aus welchen Elementen sich die Planeten damals, vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren, bildeten. Frühere Modelle der Planetenbildung beruhten meist auf einer bloßen Schätzung dieses Verhältnisses:

Die Astronomen nahmen einfach die festen Bestandteile jedes Planeten und ergänzten so viel Wasserstoff und Helium, bis das Verhältnis in etwa dem der Sonne entsprach. Dann verteilten sie die ermittelte Masse über die Umlaufbahn des betreffenden Planeten. Dieses Modell schien auch ganz gut zu passen, immerhin ergab es für den Urnebel Massenverhältnisse, wie sie auch in anderen protoplanetaren Nebeln beobachtet worden sind.

Zu jung für Jupiter?

Ein Problem gab es dabei jedoch: „Ich dachte über die Planetenbildung nach und bemerkte, dass alle aktuellen Modelle nicht erklären können, wie der Jupiter seine jetzige Größe während der Lebenszeit des solaren Urnebels erreichen konnte“, erklärt Desch. „Angesichts der Größe und Zusammensetzung des Jupiter müsste nach diesem Modell seine Entstehung viele Millionen Jahre gedauert haben und die von Uranus und Neptun sogar Milliarden Jahre – aber unser Sonnensystem ist dafür gar nicht alt genug.“

Die Umlaufbahn des Neptun verschiebt sich, dadurch werden die Kuipergürtel-Objekte zerstreut © gemeinfrei

Dem Forscher ließ dieses Problem keine Ruhe und er suchte nach einer Lösungsmöglichkeit. Dabei stieß er auf das so genannte Nizza-Modell. Dieses basiert auf numerischen Kalkulationen der Planetenumlaufbahnen über Millionen von Jahren. Es geht davon aus, dass die großen Gasriesen des Sonnensystems sich sehr viel näher beieinander und näher an der Sonne gebildet haben müssen und erst später auseinander drifteten. Neptun beispielsweise muss nach diesen Berechnungen weniger als halb so weit von der Sonne entfernt gekreist haben wie heute.

Uranus außen, Neptun innen

Und noch etwas Ungewöhnliches zeigte dieses Modell: In ungefähr der Hälfte aller Simulationen waren die Positionen von Uranus und Neptun vertauscht, ohne das die Wissenschaftler erklären konnten, warum. Desch realisierte sehr schnell die Implikationen für den Urnebel: Wenn die Planeten damals näher zusammenstanden, muss auch die Masse im Urnebel anders verteilt gewesen sein, als es das bisherige Modell vorhersagte.

Das Sonnensystem nach dem Ausstoß von Objekten des Kuipergürtels durch Jupiter. © gemeinfrei

Als Test fütterte Desch das Nizza-Modell mit den Daten für die einzelnen Planeten. Es zeigte sich eine bis auf wenige Prozent genaue Übereinstimmung von heutigen Massen und der postulierten Massenverteilung im Nebel – aber nur, wenn Uranus und Neptun ihre Plätze tauschten. “Neptun muss sich näher an der Sonne gebildet haben, sonst bekommt man nicht das typische Massenprofil“, so Desch. Wahrscheinlich kreiste der Neptun sogar 650 Millionen Jahre lang innerhalb des Uranusorbit – immerhin 15 Prozent der Lebenszeit des Sonnensystems.

Planeten wachsen schneller als gedacht

„Auch die Oberflächendichte des Urnebels entspricht nicht dem bisher angenommenen – sie ist tatsächlich viel höher“, erklärt Desch. „Und das hat bedeutende Auswirkungen für unsere Vorstellung darüber, wie die Planeten entstanden und wie schnell sie wuchsen. Eine höhere Dichte bedeutet auch, dass Uranus und Neptun sich näher und schneller bildeten, in nur zehn Millionen Jahren anstatt in Milliarden.“

Dieses Ergebnis ist auch deshalb bedeutend, weil Wasserstoff und Helium, zwei der Gase, die als Bausteine für Gasriesen gelten, auch in anderen im Universum beobachteten Urnebeln nach rund zehn Millionen Jahren beginnen zu verfliegen und damit für einen Planetenbildung nicht mehr zur Verfügung stehen.

Nadja Podbregar
Stand: 30.05.2014