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Planetensysteme: Fadenscheinige Planetenbildung

Am Anfang war der Staub. Nach und nach verbanden sich die Körnchen zu Klümpchen, bis sie schließlich Durchmesser von mehreren Kilometern erreichten und zu Planeten heranwuchsen. Vor allem die ersten Schritte dieses Prozesses geben den Wissenschaftlern noch Rätsel auf.
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Niemand war dabei, als die Erde entstand. Dennoch würden Wissenschaftler und Sie als interessierter Leser gerne wissen, wie das wohl abgelaufen sein könnte. Einmal, weil es an sich schon eine spannende Frage ist, und dann ergeben sich daraus auch wichtige Informationen, worauf bei der Suche nach erdähnlichen Planeten um andere Sterne zu achten wäre. Das reicht als Motivation alle Male aus, um trotz fehlender Zeugen nach den Mechanismen der Planetenbildung zu fahnden. Anhaltspunkte liefern Beobachtungen und Messungen von Staubansammlungen im Weltraum, Simulationen am Computer und in geringem Maße auch Modellexperimente im Labormaßstab.

Am bequemsten geht es mit dem Computer. Anhand der bekannten physikochemischen Gleichungen berechnet der, wie sich winzige Staubkörnchen im Weltall wahrscheinlich verhalten. Zunächst fällt auf, dass die Schwerkraft dabei keine nennenswerte Rolle spielt. Erst Klumpen mit Durchmessern im Kilometerbereich ziehen sich über ihre Gravitation so stark an, dass es zu Kollisionen kommt. Auf der Ebene von Mikrometern dominieren dagegen zufällige Wärmebewegungen, die auch auf der Erde für die Brown'sche Bewegung kleiner Teilchen verantwortlich sind. Stoßen zwei Körnchen zitternd zusammen, bilden sie mitunter schwache elektrostatische Anziehungskräfte zueinander aus. Diese so genannten Van-der-Waals-Kräfte resultieren aus schnell wechselnden zufälligen Ungleichverteilungen der Elektronen im Staubkorn. Passen Nachbarn ihre Verteilungsschwankungen aneinander an, klammern sich die beiden Teilchen regelrecht aneinander. Weitere Staubteilchen kommen hinzu, und in der Simulation wächst ein stark verzweigtes Netz mit immer größeren Ausmaßen. Mathematisch beschrieben hat es eine fraktale Dimension von knapp unter 2 – ein Wert, der etwa in der Mitte zwischen einer linearen Kette mit der Dimension 1 und einem kompakten Klumpen mit der Dimension 3 liegt.

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Staubfäden | Langgezogene Ketten aus Staubpartikeln bilden sich in der frühen Phase der Planetenentstehung um einen jungen Protostern. Darauf lassen Mikrogravitationsexperimente an Bord von Raketen schließen.
Nun kann eine Simulation immer nur die Größen berücksichtigen, die bei ihrer Programmierung in den Quellcode eingeflossen sind. Aber kennt man wirklich schon alle Einflüsse auf den ersten Stufen der Planetenbildung? Um das zu überprüfen, muss man geeignete Experimente durchführen. Doch gerade das ist nicht so einfach, denn schließlich laufen die Vorgänge in der Schwerelosigkeit ab. Jürgen Blum von der Technischen Universität Braunschweig und Maya Krause von der Friedrich-Schiller-Universität Jena schickten ihre Versuchsanordnungen daher in den Weltraum. 1998 flog ein Experiment von Blum im Spaceshuttle mit, und ein Jahr später trug eine unbemannte Maser-8-Rakete eine verbesserte Version der beiden Forscher für sechs Minuten durch die Mikrogravitation. Die Akteure an Bord waren winzige Kügelchen aus Siliziumdioxid mit einem halben Mikrometer Durchmesser – ultrafeiner Sand gewissermaßen. Mikroskopkameras zeichneten auf, wie die Körnchen sich miteinander verbanden und zu welchen Strukturen sie anwuchsen. Aus ihrer Lichtdurchlässigkeit bestimmten die Wissenschaftler die Massen der kleinen Aggregate und aus den Formen der dunklen Flecke deren Anordnung.

Die Auswertung der Daten passte im Wesentlichen zu den Computersimulationen. Allerdings mit einem deutlichen Unterschied: Im Experiment waren die Ansammlungen viel weniger verzweigt. Sie bildeten lange Fäden mit geringer Verästelung, keine Klümpchen. Dementsprechend lag die fraktale Dimension bei 1,4. Möglicherweise rotieren die wachsenden Fäden infolge der thermischen Bewegung wie kleine Hubschrauberrotoren, mutmaßen die Forscher. Dadurch kämen weitere Körnchen zuerst mit den Enden in Kontakt und würden dort hängen bleiben, statt weiter zum Zentrum zu gelangen. Auf jeden Fall verlief das Wachstum im Versuch so schnell, dass sich in einer protoplanetaren Staubscheibe innerhalb eines Jahres Aggregate von mehr als hundert Körnchen gefunden haben sollten. In astronomischen Zeiträumen gedacht ist der erste Schritt auf dem Weg zum fertigen Planeten also rasend schnell gemacht.

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Neue Welten | Gebiet der Stern- und Planetenentstehung im Sternbild Cepheus aufgenommen mit dem Spitzer Space Telescope.
Computersimulation und Experiment bekräftigen somit im Großen und Ganzen ihre Aussagen zum Tathergang, widersprechen sich jedoch noch in Details. Ein ganz normaler Verhandlungsgang in den Wissenschaften. Nun können die Theoretiker an den Einstellungen ihrer Simulationen schrauben, um sich der empirischen Wirklichkeit anzunähern. Denn nur, wenn Modelle alle Beobachtungen zufrieden stellend erklären, kann man sich auf sie bei Aussagen verlassen, die experimentell nicht mehr zu überprüfen sind. Und einen kleinen Planeten im Labor nachzubilden, wird wohl mindestens für eine Ewigkeit jenseits unserer Fähigkeiten liegen.
13.07.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 13.07.2004

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