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Asteroidengürtel: Lücken mit Tücken

Zwischen Mars und Jupiter sammeln sich abertausende Gesteinsbrocken und legen sich in einem breiten Gürtel um die Sonne. Allerdings nicht ganz einheitlich: Mehrere Lücken durchziehen das Geröllfeld. Wer ist schuld daran?
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Zwischen Mars und Jupiter ziehen Gesteinsbrocken in unterschiedlichsten Formen und Größen ihre Bahnen um die Sonne. Vermutlich sind es Überbleibsel aus der Bauphase des Sonnensystems, die sich nicht zu Planeten vereinten. Unwahrscheinlicher scheint die Theorie, dass es sich um die Bruchstücke eines massereichen Planeten handelt, der vor langer Zeit in einer gewaltigen Kollision zerbarst: Berechnet man die Masse aller Asteroiden und steckt sie in einen Himmelskörper, wäre er viel kleiner als der Erdmond.

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Asteroidengürtel | Der Asteroidengürtel liegt zwischen Mars und Jupiter. Die Größe der Planeten und Asteroiden in diesem Bild ist stark übertrieben dargestellt.
Doch die Entstehungsgeschichte ist längst nicht das einzige Geheimnis des Asteroidengürtels. So ist er beispielsweise nicht gleichmäßig bestückt. In bestimmten Abständen finden sich Lücken im Gesteinswirrwarr, so genannte Kirkwoodlücken. Sie rühren von instabilen Zonen her, in denen der Schwerkrafteinfluss von Jupiter und Saturn zunächst für einen chaotischen Orbit und schließlich meist für einen Rauswurf sorgt.

Das ist der Fall, sobald Jupiters und ihre Umlaufzeit ein ganzzahliges Verhältnis bilden: Zum Beispiel wenn sieben Orbits eines Asteroiden gerade so lange dauern wie drei beim Gasriesen. Der Fachmann spricht dann von einer 7:3-Resonanz. Der amerikanische Astronom Daniel Kirkwood stieß 1866 als Erster auf dieses Phänomen.

Damals kannte man noch nicht einmal hundert Asteroiden im Hauptgürtel, inzwischen sind mehr als 400 000 Exemplare erfasst. David Minton und Renu Malhotra untersuchten nun die Bahnparameter der 690 größten. Zudem erstellten sie eine Simulation, welche die Entwicklungsgeschichte des Geröllgürtels nachspielt. Dafür nahmen die beiden Wissenschaftler eine gleichmäßige Anfangsverteilung der Asteroiden in den stabilen Regionen an und ließen über vier Milliarden virtuelle Jahre die störenden Einflüsse von Jupiter und Co – alle hatten bereits ihre jetzigen Bahnen eingenommen – wirken.

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Verteilung im Asteroidengürtel | Verteilung der Bahnhalbachsen der Asteroiden im Hauptgürtel: Die Pfeile markieren Entfernungen, in denen sich Objekte in einer Bahnresonanz mit Jupiter befinden, wobei die erste Ziffer die Zahl der Asteroidenumläufe angibt.
Der Vergleich zwischen Modell und Wirklichkeit offenbarte die bekannten Kirkwoodlücken, aber auch eine kleine Überraschung: Am inneren Rand des Hauptgürtels sowie an den äußeren Kanten einiger Lücken – die ja eigentlich stabil sein sollten – befinden sich in der Realität weniger Asteroiden als vom Computer erwartet. Minton und Malhotra machen dafür etwaige Streifzüge von Jupiter und Saturn vor rund vier Milliarden Jahren – also in der Frühzeit des Sonnensystems – verantwortlich.

Erst als sie diese Umstände in ihre Simulation einbezogen, stimmte sie mit den Beobachtungen überein. In der Tat vermuten viele Astronomen, dass die Riesenplaneten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – seit ihrer Entstehung nach innen oder außen taumelten. Zu ihren Touren bewegten sie massereiche Planetesimale, also Asteroiden und sonstige Schuttansammlungen aus Eis und Gestein, die ihnen nahe kamen. Diese brachten den Gasriesen entweder Drehmoment ein oder aber raubten etwas davon.

Mit Hilfe ihres Computermodells könnten die beiden Wissenschaftler sogar etwas über den Verlauf der Wandergeschwindigkeiten herausfinden, denn der Grad an Asteroidenschwund im Gürtel hängt stark von dieser ab. Weitere Analysen der Bahnparameter dürften uns mehr über die Migration der Planeten verraten. Fest steht für Minton und Malhotra aber schon jetzt, dass die wandernden Gasriesen durch ihren Resonanzeinfluss den Asteroidengürtel beträchtlich leerten: Die wechselnden Orbits machten jeweils andere Bereiche im Asteroidengürtel instabil.

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Zwischen Mars und Jupiter | Auf dem Jupiterorbit, in zwei unterschiedlichen Regionen vor und hinter Jupiter, befinden sich so genannte Trojaner-Asteroiden.
Diese Geschehnisse gingen womöglich einher mit dem großen Bombardement, das vor rund vier Milliarden Jahren stattgefunden haben soll: Innerhalb von vergleichsweise kurzer Zeit wurde das innere Sonnensystem mit zahlreichen Gesteinsbrocken beschossen. Spuren der Geschosse finden sich hier überall – ob auf Mars, Merkur oder Mond. Auf der Erde wurden sie hingegen durch Plattentektonik und Erosion weitestgehend verwischt.

Die Arbeit von Minton und Malhotra liefert einen weiteren Beleg für die Planetenmigration und ihre Folgen. Wie die Geschichte tatsächlich verlief, kann aber bis heute noch keiner mit Bestimmtheit sagen. Es bedarf wohl noch vieler weiterer Simulationen und nicht zuletzt Beobachtungen, um den Abläufen im frühen Sonnensystem auf die Schliche zu kommen.
9. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 9. Woche 2009

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  • Quellen
Minton D. A., Malhotra, R.: A record of planet migration in the main asteroid belt. In: Nature 457, S. 1109–1111, 2009.

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