Wie ist Neptun entstanden?

Obwohl Planeten Sterne in der Galaxie umgeben, bleibt ihre Entstehung umstritten. Trotz des Reichtums an Welten in unserem eigenen Sonnensystem sind sich Wissenschaftler immer noch nicht sicher, wie Planeten gebaut werden. Derzeit streiten zwei Theorien um die Rolle des Champions.



Die erste und am weitesten verbreitete Kernakkretion funktioniert gut mit der Bildung der terrestrischen Planeten, hat aber Probleme mit Riesenplaneten wie Neptun . Die zweite Methode, die Scheibeninstabilitätsmethode, kann für die Entstehung riesiger Planeten verantwortlich sein.



Neue Messungen der Europäischen Weltraumorganisation

Neue Messungen des Infrarot-Weltraumteleskops Herschel der Europäischen Weltraumorganisation ESA zeigen, dass ein Komet möglicherweise vor zwei Jahrhunderten Neptun, den äußersten Planeten unseres Sonnensystems, getroffen hat.(Bildnachweis: NASA)



Das Kernakkretionsmodell

Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war das Sonnensystem eine Staub- und Gaswolke, die als Sonnennebel bekannt ist. Die Schwerkraft ließ das Material in sich zusammenfallen, als es sich zu drehen begann und die Sonne im Zentrum des Nebels bildete.

Mit dem Aufgang der Sonne begann das restliche Material zu verklumpen. Kleine Teilchen zogen sich, gebunden durch die Schwerkraft, zu größeren Teilchen zusammen. Der Sonnenwind fegte leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium aus den näheren Regionen weg und hinterließ nur schweres, felsiges Material, um terrestrische Welten zu schaffen. Aber weiter weg hatten die Sonnenwinde weniger Einfluss auf leichtere Elemente, so dass sie sich verschmelzen und komponiert Neptun und andere Gasriesen. Auf diese Weise, Asteroiden , Kometen , Planeten und Monde wurden geschaffen.

Einige Exoplanetenbeobachtungen scheinen die Kernakkretion als den vorherrschenden Entstehungsprozess zu bestätigen. Sterne mit mehr „Metallen“ – ein Begriff, den Astronomen für andere Elemente als Wasserstoff und Helium verwenden – in ihrem Kern haben mehr Riesenplaneten als ihre metallarmen Verwandten. Entsprechend NASA , Kernakkretion legt nahe, dass kleine, felsige Welten häufiger vorkommen sollten als die massiveren Gasriesen.



Die Entdeckung eines riesigen Planeten mit einem massiven Kern im Jahr 2005, der den sonnenähnlichen Stern HD 149026 umkreist, ist ein Beispiel für einen Exoplaneten, der dazu beigetragen hat, die Argumente für eine Kernakkretion zu stärken.

'Dies ist eine Bestätigung der zentralen Akkretionstheorie für die Planetenentstehung und ein Beweis dafür, dass Planeten dieser Art im Überfluss existieren sollten', sagte Greg Henry in a Pressemitteilung . Henry, ein Astronom an der Tennessee State University in Nashville, entdeckte die Verdunkelung des Sterns.

Im Jahr 2017 plant die Europäische Weltraumorganisation den Start des charakterisierenden ExOPlanet-Satelliten (CHEOPS), der Exoplaneten in Größen von Supererden bis Neptun untersuchen wird. Das Studium dieser fernen Welten kann helfen, herauszufinden, wie Planeten im Sonnensystem entstanden sind.



'Im Kernakkretionsszenario muss der Kern eines Planeten eine kritische Masse erreichen, bevor er in der Lage ist, Gas auf unkontrollierbare Weise anzusammeln', sagte der CHEOPS-Team .

'Diese kritische Masse hängt von vielen physikalischen Variablen ab, von denen die wichtigste die Rate der Planetesimalen Akkretion ist.'

Durch die Untersuchung, wie wachsende Planeten Material anlagern, wird CHEOPS Einblicke in das Wachstum von Welten geben.

Damit dieses Modell für Riesenplaneten wie Neptun funktioniert, wäre ein drittes Migrationselement erforderlich. Einige Wissenschaftler vermuten, dass sich Neptun ursprünglich näher an der Sonne gebildet hat und dann nach der Auflösung der Gasscheibe an seine aktuelle Position gewandert ist.

Das Festplatteninstabilitätsmodell

Für massive Gasriesen wie Jupiter dauert die Kernakkretion jedoch viel zu lange. Die Stoffwolke um die Sonne hält nur kurze Zeit, sie wird entweder von Planeten aufgesammelt oder verdunstet vollständig.

'In wenigen Millionen Jahren bilden sich riesige Planeten sehr schnell', sagte Kevin Walsh, ein Forscher am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, gegenüber guesswhozoo.com. 'Das schafft eine zeitliche Begrenzung, denn die Gasscheibe um die Sonne hält nur 4 bis 5 Millionen Jahre.'

Die Zusammensetzung von Neptun ist fast vollständig das leichte Gas Wasserstoff, mit einem erheblichen Anteil an Helium sowie etwas Methan. Eine Methanschicht über den Wolken verleiht Neptun seine blaue Farbe, weil das Gas laut NASA rotes Licht absorbiert. Kleine Spuren anderer Elemente existieren in Neptuns Atmosphäre , sowie. Um diese Gase einzufangen, musste Neptun schnell seinen massiven Kern bilden. Der massive Kern könnte dann die leichteren Elemente gravitativ einfangen, bevor Sonnenwinde sie wegfegen.

Nach einer relativ neuen Theorie, Scheibeninstabilität, sind Staub- und Gasklumpen schon früh im Leben des Sonnensystems miteinander verbunden. Im Laufe der Zeit verdichten sich diese Klumpen langsam zu einem riesigen Planeten. Diese Planeten können sich schneller bilden als ihre Rivalen in den Kernakkretionen, manchmal in nur tausend Jahren, was es ihnen ermöglicht, die schnell verschwindenden leichteren Gase einzufangen. Sie erreichen auch schnell eine orbitstabilisierende Masse, die sie davon abhält, in die Sonne zu marschieren.

Kieselsteinansammlung

Die größte Herausforderung für die Kernakkretion ist die Zeit – der Bau massiver Gasgiganten, die schnell genug sind, um die leichteren Komponenten ihrer Atmosphäre zu erfassen. Neuere Forschungen darüber, wie kleinere, kieselgroße Objekte miteinander verschmolzen, um riesige Planeten bis zu 1000-mal schneller als frühere Studien zu bauen.

'Dies ist das erste uns bekannte Modell, bei dem Sie mit einer ziemlich einfachen Struktur für den Sonnennebel beginnen, aus dem sich Planeten bilden, und am Ende das Riesenplanetensystem haben, das wir sehen', studieren Hauptautor Harold Levison, ein Astronom am Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, sagte guesswhozoo.com im Jahr 2015.

Im Jahr 2012 schlugen die Forscher Michiel Lambrechts und Anders Johansen von der Universität Lund in Schweden vor, dass winzige Kieselsteine, sobald sie abgeschrieben wurden, der Schlüssel zum schnellen Bau riesiger Planeten waren.

'Sie zeigten, dass die übrig gebliebenen Kieselsteine ​​aus diesem Entstehungsprozess, die bisher als unwichtig galten, tatsächlich eine große Lösung für das Problem der Planetenbildung sein könnten', sagte Levison.

Levison und sein Team bauten auf dieser Forschung auf, um genauer zu modellieren, wie die winzigen Kieselsteine ​​Planeten bilden könnten, die heute in der Galaxie zu sehen sind. Während in früheren Simulationen sowohl große als auch mittelgroße Objekte ihre kieselgroßen Cousins ​​mit einer relativ konstanten Rate verzehrten, deuten Levisons Simulationen darauf hin, dass die größeren Objekte eher wie Tyrannen wirkten und Kieselsteine ​​von den mittelgroßen Massen wegschnappten, um viel schneller zu wachsen Bewertung.

'Die größeren Objekte neigen jetzt dazu, die kleineren mehr zu zerstreuen als die kleineren, so dass die kleineren am Ende aus der Kieselscheibe gestreut werden', sagte die Mitautorin der Studie Katherine Kretke, ebenfalls vom SwRI, gegenüber guesswhozoo.com . 'Der größere Kerl schikaniert im Grunde den kleineren, damit sie alle Kieselsteine ​​​​selbst essen können und weiter wachsen können, um die Kerne der riesigen Planeten zu bilden.'

Ein schönes Modell

Ursprünglich dachten Wissenschaftler, dass Planeten im gleichen Teil des Sonnensystems entstanden sind, in dem sie heute leben. Die Entdeckung von Exoplaneten erschütterte die Dinge und enthüllte, dass zumindest einige der massivsten Objekte wandern könnten.

Im Jahr 2005 veröffentlichte ein Trio von Artikeln in der Zeitschrift Natur schlug vor, dass Neptun und die anderen Riesenplaneten auf fast kreisförmigen Bahnen gebunden waren, die viel kompakter waren als sie es heute sind. Eine große Scheibe aus Gestein und Eis umgab sie und erstreckte sich über die 35-fache Entfernung Erde-Sonne, knapp jenseits der gegenwärtigen Umlaufbahn von Neptun. Sie nannten das die Schönes Modell , nach der Stadt in Frankreich, in der sie zum ersten Mal darüber diskutierten.

Als die Planeten mit den kleineren Körpern interagierten, zerstreuten sie die meisten von ihnen zur Sonne. Der Prozess veranlasste sie, Energie mit den Objekten zu tauschen, was Saturn, Neptun und Uranus weiter in das Sonnensystem schickte. Schließlich erreichten die kleinen Objekte Jupiter, der sie an den Rand des Sonnensystems oder ganz aus diesem herausflog.

Die Bewegung zwischen Jupiter und Saturn trieb Uranus und Neptun in noch exzentrischere Bahnen und schickte das Paar durch die verbleibende Eisscheibe. Ein Teil des Materials wurde nach innen geschleudert, wo es während des späten schweren Bombardements auf die terrestrischen Planeten prallte. Anderes Material wurde nach außen geschleudert, wodurch die Cooper Gürtel .

Als sie sich langsam nach außen bewegten, tauschten Neptun und Uranus ihre Plätze. Schließlich führten Interaktionen mit den verbleibenden Trümmern dazu, dass sich das Paar in kreisförmigeren Bahnen niederließ, als es seine aktuelle Entfernung von der Sonne erreichte.

Auf dem Weg dorthin ist es möglich, dass ein oder sogar zwei andere Riesenplaneten waren rausgeschmissen vom System. Der Astronom David Nesvorny vom Southwest Research Institute in Colorado hat das frühe Sonnensystem auf der Suche nach Hinweisen modelliert, die zum Verständnis seiner frühen Geschichte führen könnten.

'In den frühen Tagen war das Sonnensystem ganz anders, mit vielen weiteren Planeten, vielleicht so massiv wie Neptun, die sich bildeten und an verschiedene Orte verstreut wurden', sagte Nesvorny gegenüber guesswhozoo.com

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