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Planetenentstehung: Und sie verklumpen doch!

Wie werden aus winzigen Staubkörnern große Planeten? Wissenschaftler haben jetzt einen wichtigen Zwischenschritt in der Entstehung von Welten entdeckt.
Junger Stern mit protoplanetarer ScheibeLaden...

Um einmal ein Planet zu sein, muss ein kleines Staubkorn noch ein ganzes Stück wachsen. Forscher um Tobias Steinpilz von der Universität Duisburg-Essen haben nun eine fehlende Zwischenetappe gefunden, die dem Entstehungsprozess über eine der größten Hürden hinweghilft. Winzige Staubteilchen von unter einem Millimeter haften allein schon durch Adhäsion; ab einigen Zentimetern bis Metern hält die Gravitation das Material zusammen. Dazwischen befindet sich jedoch die so genannte »Bouncing Barrier«, ein Größenbereich, in dem keiner der beiden Effekte so wirklich funktionieren will und die Planetenkrümel bei Stößen nur aneinander abprallen. Wie sie den Sprung über diese Barriere schaffen und trotzdem zu properen Himmelskörpern heranwachsen, war lange eines der größten Rätsel der Planetenentstehung. Jetzt liefert ein Artikel im Fachmagazin »Nature Physics« eine Erklärung: Beim Zusammenstoßen und Abprallen laden sich die Teilchen elektrisch auf und ziehen sich gegenseitig direkt wieder an – und ein zweites Mal lassen sie sich nicht wieder los.

Diesen Effekt wiesen Steinpilz und seine Kollegen nach, indem sie Glaskugeln fliegen ließen. Im Fallturm Bremen wurden die Partikel in einem mit CO2 gefüllten Behälter neun Sekunden lang der Schwerelosigkeit ausgesetzt, während dieser aus einer Höhe von 122 Metern dem Boden entgegenraste. Und statt zu zerbrechen, wie man es normalerweise bei aus großer Höhe fallendem Glas erwarten würde, verbanden sich die nur einen halben Millimeter großen Kügelchen – teilweise zu Dutzenden. Dies geschah bei Geschwindigkeiten, die ähnlich zu jenen in protoplanetaren Scheiben sind. Computersimulationen führten die Forscher zu denselben Ergebnissen – und erlaubten ihnen zu vergleichen, wie sich die Kügelchen ohne elektrostatische Effekte verhalten würden. Die daraus resultierenden virtuellen Klumpen waren deutlich kleiner und traten seltener auf.

Zudem verklumpten nicht nur Teilchen entgegengesetzter Ladungen, auch gleich geladene Glaskugeln, die sich eigentlich abstoßen sollten, hielten sich gegenseitig fest. Diese Beobachtung erklären sich die Forscher damit, dass starke Ladungen eine Polarisierung verursachen – und die Kügelchen ähnlich wie ein Magnet ein positiv und ein negativ geladenes Ende entwickeln. Diese Effekte sind nicht nur für Astronomen relevant: Auch in industriellen Anlagen kann elektrostatisches Verklumpen auftreten. Dort geschieht das allerdings eher unbeabsichtigt – zum Beispiel, wenn sie chemische Reaktoren verstopfen.

Haben die Nachwuchsplaneten es erst einmal auf ein paar Zentimeter geschafft, übernimmt die Gravitation das Steuer: Teilchen sammeln sich so lange lose an, bis das ganze Gebilde unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert und ein großer Felsbrocken entsteht. Dieser »frisst« dann kontinuierlich kleinere Brocken und wird dabei dicker und dicker – und eines Tages ein ausgewachsener Planet.

50/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 50/2019

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