Turbulenzen in der Urwolke

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Am Anfang der Geschichte unseres Planeten steht eine Wolke aus Gas und Staub. In ihr kreisen vor allem Wasserstoff und Helium, aber auch Wasserdampf, Kohlenstoff- und Siliziumverbindungen in einer riesigen wirbelnden Scheibe. Die Drehung dieser so genannten Akkretionsscheibe wirkt der Schwerkraft entgegen und verhindert – zunächst – ihr Zusammenfallen. Doch dann geschieht etwas Dramatisches: In der Nähe explodiert ein Stern. Aus der Messung von Sauerstoff-Isotopen in Meteoriten schätzen Astronomen den Zeitpunkt dieser Supernova auf ungefähr 750.0000 Jahre vor Entstehung unseres Sonnensystems.

Die Kernfusion zündet und ein neuer Stern entsteht © NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Zündung zur Kernfusion

Die Schockwellen der Explosion treffen die Urwolke und stören kurzzeitig ihre Drehung. Dadurch kann die Zentrifugalkraft die Schwerkraft der angesammelten Materie nicht mehr ausgleichen und die Wolke kollabiert. Der größte Teil von Gas und Staub stürzt ins Zentrum der Wolke und ballt sich hier immer dichter zusammen. Der starke Druck heizt die Materie immer weiter auf. Temperatur und Druck werden so extrem, dass sogar Atomkerne miteinander verschmelzen. Diese Kernfusion setzt gewaltige Energien frei, die als Strahlung nach außen abgehen – ein Stern ist entstanden, die junge Sonne. Bis heute liefert die Kernfusion in ihrem Inneren die Energie, um der Umgebung Licht und Wärme zu spenden. Die Strahlung der Sonne verhindert das weitere Zusammenfallen der Wolke und stabilisiert sie.

Vor rund 4,568 Milliarden Jahren klumpen die noch immer kreisenden Staubteilchen zusammen und bilden größere Brocken, die so genannte Planetesimale. Allmählich kühlt sich auch das Gas soweit ab, dass es kondensiert. Im inneren Bereich der protoplanetaren Scheibe entstehen dadurch vor allem Ansammlungen der schwerflüchtigeren Elemente und Verbindungen wie Silizium, Eisen oder Nickel. Durch Kollisionen mit anderen Brocken und Anlagerungen von Staub und kleineren Teilchen bilden sich hier allmählich die Vorläufer der inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars. Noch allerdings ist ihre Oberfläche nicht fest, sondern heiß und glutflüssig. Im Außenbereich der Scheibe sind die schwereren Elemente rar, hier bilden sich daher Protoplaneten aus Eis, vermischt mit Staub und Gas. Sie sind die Vorläufer der heutigen Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.

Aus Gas und Staub bilden sich nach und nach immer größere Planetenvorläufer © NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Das Rätsel der Isotopen-Unterschiede

Trotzt dieser Unterschiede in der Verteilung der Elemente, sind im Prinzip alle Planeten aus der gleichen Urwolke entstanden wie die Sonne. Theoretisch müssten daher auch alle die gleichen, für das Sonnensystem typischen Verhältnisse der Atomsorten, der Isotope, enthalten. Doch das scheint nicht der Fall zu sein, wie im Sommer 2011 zwei Forscherteams feststellten. Sie hatten Proben des Sonnenwinds ausgewertet, den die NASA-Raumsonde Genesis im Laufe von fast drei Jahren gesammelt und in einer Kapsel zur Erde zurückgeschossen hatte. Das Material des Sonnenwinds stammt aus dem äußeren Bereich der Sonne und gilt als wichtiges Relikt aus der Vergangenheit, da sich die Zusammensetzung der äußeren Sonnenhülle seit ihrer Entstehung aus dem Urnebel nicht nennenswert verändert haben soll.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass alle Objekte des inneren Sonnensystems, darunter auch die terrestrischen Planeten, Meteoriten und Kometen, anormal sind gemessen an der ursprünglichen Zusammensetzung des Nebels, aus dem sich das Sonnensystem einst bildete”, erklärt Bernard Marty vom Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques im französischen Nancy. So weisen die Erde, der Mond, sowie Meteoriten vom Mars und andere Asteroidenfragmente eine geringere Konzentration von des Sauerstoff-Isotops O-16 auf als die Sonne. Und auch in Bezug auf das Stickstoff-Isotop N-14 weichen die inneren Planeten von denen der Sonne und des Gasplaneten Jupiter ab.

Offenbar müssen in der Frühzeit des Sonnensystems im Urnebel Prozesse abgelaufen sein, die das Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff-Isotopen im Bereich der späteren inneren Planeten veränderte. „Das deutet möglicherweise darauf hin, dass wir nicht aus dem gleichen Urnebel-Material gebildet wurden, das auch die Sonne erzeugte – warum und wie bleibt allerdings noch zu entdecken“, erklärt Kevin McKeegan von der Universität von Kalifornien in Los Angeles.