In der frühen Ära unseres Sonnensystems war die Region unmittelbar außerhalb der Jupiterbahn ein bedeutender Ort für die Entstehung von Planetesimalen, die als Vorläufer von Planeten, Asteroiden und Kometen gelten. Neueste Simulationen haben gezeigt, dass in diesem Bereich über einen Zeitraum von zwei Millionen Jahren eine Vielzahl von Körpern mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen entstand. Diese Erkenntnisse liefern eine umfassende Erklärung für die Vielfalt der kohlenstoffreichen Chondrite, einer Gruppe von Meteoriten, die relativ spät im Entwicklungsprozess entstanden sind.
Die vorliegende Studie, die im Fachjournal „The Astrophysical Journal“ veröffentlicht wurde, stellt eine Verbindung zwischen Computersimulationen des jungen Sonnensystems und Laboranalysen von Meteoriten her. In den Anfangsjahren des Sonnensystems existierte eine rotierende Scheibe aus Gas und Staub um die junge Sonne. Im Laufe von Millionen Jahren ballten sich die Partikel zu größeren Körpern zusammen, den Planetesimalen. Während einige dieser Körper zu Planeten heranwuchsen, bildeten andere die Grundlage für die heutigen Asteroiden und Kometen. Forschende haben festgestellt, dass dieser Prozess nicht linear verlief, sondern dass verschiedene Entwicklungsphasen der Planetesimale zeitgleich auftraten. Zudem war die Eignung des jeweiligen Bereichs der Scheibe entscheidend für die Entwicklung der Planetesimale.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat nun den ringförmigen Bereich, der sich direkt außerhalb der Jupiterbahn erstreckt, als eine besonders produktive und vielfältige Brutstätte für Planetesimale identifiziert. Die Simulationen legen nahe, dass in diesem Bereich innerhalb von zwei Millionen Jahren Planetesimale mit stark variierenden chemischen Zusammensetzungen gebildet wurden. Joanna Drążkowska, die Leiterin der Lise-Meitner-Gruppe zur Planetenentstehung am MPS, erklärt: „Im selben Bereich der frühen Staub- und Gasscheibe konnten offenbar verschiedene Arten von Planetesimalen entstehen, jedoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die Bedingungen außerhalb der Jupiterbahn waren dafür äußerst günstig.“
Die Forscher konzentrierten sich auf den Zeitraum von etwa zwei bis vier Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems. Zu diesem Zeitpunkt hatte der Jupiter bereits große Mengen an Materie in seiner Umgebung angezogen, wodurch eine ringförmige Lücke in der Gas- und Staubscheibe entstand. In der Region direkt außerhalb dieser Lücke bildete sich ein Gebiet mit erhöhtem Gasdruck, in dem sich Staub zu kleinen Partikeln, sogenannten Pebbles, zusammenfügte. Während es bereits bekannt war, dass in solchen Staubfallen frühzeitig Pebbles zu Planetesimalen anwachsen konnten, war unklar, ob dieser Prozess auch über längere Zeiträume hinweg zu einer Vielzahl von unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen führen konnte. Die aktuelle Untersuchung zeigt, dass über Millionen von Jahren in diesen Staubfallen verschiedene Populationen von Planetesimalen entstehen konnten.
Die Ergebnisse der Studie verdeutlichen, dass die Meteorite, die auf die Erde gefallen sind, als wertvolle Indikatoren für die Theorien zur Planetenbildung dienen. Thorsten Kleine, Direktor am MPS und Kosmochemiker, betont: „Es ist zum ersten Mal gelungen, die Resultate von Laboruntersuchungen von Meteoriten mit Hilfe von Computersimulationen des frühen Sonnensystems genau zu reproduzieren.“ Die kohlenstoffreichen Chondrite, die besonders viel Kohlenstoff enthalten, dürften genau in dem simulierten Zeitraum außerhalb der Jupiterbahn entstanden sein.
Die Forscher identifizierten sechs Gruppen kohlenstoffreicher Chondrite, die sich in ihrer Zusammensetzung und Struktur unterscheiden. Während einige dieser Meteorite aus sehr feinkörnigem Material bestehen und leicht zerfallen, sind andere robuster und enthalten sichtbare Einschlüsse. Die Simulationen ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Alters- und Zusammensetzungsdaten dieser Meteoritengruppen präzise nachzubilden. Dabei wurde zwischen zwei Materialtypen unterschieden: bröseligem, zerbrechlichem Staub und stabileren Partikeln, die unter Hitzeeinfluss entstanden waren.
Die Modelle der Forscher berücksichtigen sowohl die Kollisionen zwischen den Partikeln als auch deren Bewegungen innerhalb der riesigen Gasscheibe. Hierbei stellte sich heraus, dass die Umlaufbahn des Jupiters als Barriere für größere, stabilere Teilchen effektiver wirkt als für den feinkörnigen Staub. Diese komplexen Wechselwirkungen führen dazu, dass sich in der Region außerhalb der Jupiterbahn im Laufe der Zeit unterschiedliche Materies
