AUS STAUB GEBOREN

Die Existenz erdähnlicher Planeten ist so gut wie sicher. Ihre Zahl in unserer Milchstraße scheint sogar unübersehbar groß zu sein. Viele Pressemeldungen der letzten Monate künden davon: „Ein erdähnlicher Planet entsteht wahrscheinlich in dem 424 Lichtjahre entfernten Sternsystem HD 113766″ und „Vielleicht bilden sich bei allen sonnenähnlichen Sternen Gesteinsplaneten” verbreitete die NASA nach Beobachtungen ihres Weltraumteleskops Spitzer. „Eine leichte Scheibe um einen leichten Stern könnte einen erdähnlichen Planeten beherbergen”, hieß es beim japanischen Observatorium Subaru. „Wahrscheinlich, vielleicht, könnte” – steckt dahinter bloß der Wunsch nach Zwillingen unseres Planeten, nach Lebensinseln im kalten Universum? Tatsache ist, dass von den derzeit mehr als 280 bekannten extrasolaren Planeten kein einziger der Erde ähnelt. Das ist indes kein Gegenbeweis. Denn die heutigen Nachweismethoden sind nicht empfindlich genug, um so kleine Planeten wie den unseren im gleißenden Sternenlicht aufzuspüren.

Noch eine ganz andere Schwierigkeit treibt die Astronomen um: Ihre heutigen Modelle und Laborexperimente können schwer erklären, warum sich Planeten überhaupt bilden. „Es fehlt uns nach wie vor etwas Grundsätzliches im Verständnis der Staubscheiben, die junge Sterne umgeben und in denen Planeten entstehen”, sagt der Direktor des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg, Thomas Henning. Henning, der sich seit über 20 Jahren mit diesem Thema beschäftigt, hat einen Großteil des Instituts auf dieses topaktuelle Forschungsgebiet ausgerichtet. Das grundsätzliche Szenario der Stern- und Planetenentstehung hat sich seit den Hypothesen von Immanuel Kant (1755) und Simon de Laplace (1796) kaum verändert: Überschreitet eine große Staubwolke eine bestimmte Masse, so beginnt sie sich unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft zusammenzuziehen. Die anfangs langsam rotierende Wolke dreht sich mit abnehmender Größe immer schneller um ihre Achse. Das ist der Pirouetten-Effekt, den man von Eiskunstläuferinnen her kennt: Ziehen sie die Arme an den Körper, so wirbeln sie immer schneller um die Längsachse ihres Körpers. Physiker nennen das „Drehimpulserhaltung”. In der Wolke treten durch die schnelle Rotation starke Fliehkräfte auf, die sie senkrecht zur Rotationsachse auseinanderziehen, sodass sie bald die Form einer Scheibe annimmt. In deren Zentrum entsteht der Stern, und in der Scheibe bilden sich seine Planeten. Dieses Modell haben die Astrophysiker immer weiter verfeinert.

Was sie inzwischen wissen: In der Scheibe sind Staub und Gas vermischt. Die festen Partikel stoßen immer wieder zusammen und bleiben aneinander haften. Klumpen entstehen, die immer schwerer werden und aufgrund der Gravitation zur Mittelebene der Scheibe absinken, wo sie sich in einer verhältnismäßig dünnen Schicht ansammeln. Da dort die Staubdichte zunimmt, stoßen die Teilchen noch häufiger zusammen, und die Klumpen wachsen bis zu Durchmessern von etwa einem Kilometer heran. Die Schwerkraft dieser „Planetesimale” ist so stark, dass sie andere Körper anziehen und sich mit ihnen zusammenballen, bis sie die Größe eines Planeten erreicht haben – über 1000 Kilometer. Ist ein solcher Gesteinsplanet bis auf etwa zehn Erdmassen angewachsen, sammelt er aus der Umgebung Gas ein und umgibt sich mit einer Atmosphäre. Ein Gasplanet wie Jupiter oder Saturn entsteht.

Diese Genese der Planeten klingt zwar überzeugend. Doch der Teufel steckt im Detail – genauer gesagt: im Staub. Mit dieser trockenen Materie befasst sich Jürgen Blum von der Technischen Universität Braunschweig. In einer ganzen Reihe von Apparaturen lässt er kleine Staubwolken schweben und verfolgt mit Hochgeschwindigkeitskameras, die bis zu 12 000 Bilder pro Sekunde schießen, die Reaktionen der Teilchen bei Zusammenstößen – auch in der Schwerelosigkeit. Dafür hat er seine Anlagen in einem Flugzeug der Europäischen Weltraumorganisation ESA installiert, in dem bei Parabelflügen jeweils 20 Sekunden lang Schwerelosigkeit herrscht (bild der wissenschaft 5/2006, „ Höhenflug beim Absturz”). Auch in dem 143 Meter hohen Bremer Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) sind seine Versuche fünf oder zehn Sekunden lang schwerelos.

Die ersten Experimente mit Partikeln, die kleiner als etwa ein tausendstel Millimeter waren, verliefen sehr erfolgreich: Die Teilchen stießen zusammen, blieben aneinander haften und wuchsen zu unregelmäßig geformten Staubklümpchen heran. Doch sobald sie etwa einen Millimeter groß waren, änderte sich ihr Verhalten. Meisten prallten die Klümpchen voneinander ab und zerstörten sich eher, als dass sie anwuchsen.

BEI FAUSTGRÖSSE IST SCHLUSS

Ein weiteres Problem ist, dass nach den derzeitigen Modellen der protoplanetarischen Scheiben die Geschwindigkeit der Klümpchen mit ihrer Größe anwächst. Im Zentimeterbereich prallen sie typischerweise mit 50 Kilometer pro Stunde zusammen. Jüngste Experimente, in denen die Braunschweiger Gruppe millimetergroße Klümpchen auf gleichgroße oder auch auf größere vom Ausmaß eines Radiergummis schossen, verliefen enttäuschend: Die Staubansammlungen wuchsen nicht weiter. „Wir halten es für äußerst unwahrscheinlich, dass protoplanetare Körper mit dem bislang angenommenen Mechanismus von Stoßen und Haften mehr als ungefähr zehn Zentimeter groß werden können”, lautet Blums ernüchternde Bilanz. Es gibt demnach offenbar eine Wachstumsgrenze bei etwa Faustgröße, die die Brocken nach den bisherigen Vorstellungen nicht überwinden können.

Auf ein weiteres Problem der Entstehung von Planetesimalen ist Stuart Weidenschilling vom Planetary Science Institute in Tucson, Arizona, bereits vor 30 Jahren gestoßen. Staubkörnchen und Steine kreisen gemeinsam mit dem Gas in der Scheibe um den Zentralstern. Die Teilchen spüren dabei das Gas wie einen Gegenwind. Dadurch werden sie immer langsamer und bewegen sich auf einer Spiralbahn auf den Stern zu. Dabei lösen sie sich entweder in dessen intensiver UV-Strahlung auf, oder sie fallen in den Stern hinein. Dieser Kamikaze-Flug endet bereits nach einigen 100 Sternumrundungen – entsprechend einigen 100 bis 1000 Jahren. In dieser kurzen Zeitspanne ist die Entstehung von Planeten unmöglich. Es muss den kleinen Körpern also irgendwie gelingen, die Zentimeter-Barriere zu überwinden und den Absturz in den Stern zu verhindern. Eine Idee, wie das funktionieren könnte, haben Theoretiker in den letzten zwei Jahren entwickelt: durch Turbulenz.

Ein kompliziertes Wechselspiel zwischen dem Gas und den Staubteilchen sorgt dafür, dass die Partikel in der Mittelebene schneller sind als die darüber und darunter. Dies führt zu Wirbeln, wie man sie aus Windkanalaufnahmen von Autos oder Flugzeugen kennt. Lange Zeit vermuteten die Theoretiker, dass diese Turbulenzen den Staub in der Mittelebene der Scheibe verwirbeln und das Wachstum der kleinen Partikel hemmen. Doch neue Computersimulationen belegen gerade das Gegenteil. Hubert Klahr und Anders Johansen aus der Theoriegruppe des Heidelberger Max-Planck-Instituts ist es zusammen mit Andrew Youdin von der University of Toronto im vergangenen Jahr erstmals gelungen, solche Turbulenzen in der Scheibe räumlich im Computer zu simulieren. Dabei traten Effekte auf, die entfernt an das Wettergeschehen in unserer Atmosphäre erinnern. Die Turbulenzen entwickeln sich zu recht stabilen Wirbeln, in denen der Druck um einige Prozent höher ist als in der Umgebung. In diesen Hochdruckgebieten sammeln sich Staubteilchen und Gesteinsbrocken an. Während sich die Wirbel mit der gesamten übrigen Materie um den Stern herumbewegen, verschlingen sie immer mehr Partikel aus der Umgebung. Wie bei hintereinander her fahrenden Radlern verringert sich für die Teilchen im Schwarm der Gegenwind des Gases, der sie sonst in den Stern abstürzen ließe. Dieser fliegende Staubhaufen im Innern des Wirbels bleibt erstaunlich stabil. Wenn seine Gesamtmasse einen bestimmten Wert überschreitet, beginnt er, sich unter dem Einfluss der eigenen Schwerkraft zusammenzuziehen.

MAGNETFELDER ALS GEBURTSHELFER

„Die Klumpen werden über mehrere Dutzend Umläufe ihres Sterns hinweg zusammengehalten”, sagt Anders Johansen. Denn die Schwerkraft wirkt nicht nur zwischen zwei Klumpen – dieser Effekt wäre viel zu schwach –, sondern sie hält das ganze Ensemble gravitativ zusammen: ein Synergieeffekt. Die Wirkung eines Magnetfelds verstärkt dies noch. Magnetfelder sind in der gesamten Milchstraße vorhanden und durchziehen die Wolke, in der ein Planetensystem entsteht, von Anfang an. Wenn sich die Wolke zu einer Scheibe verdichtet, konzentriert sich auch das Magnetfeld. Es wird von der Materie mitgezogen und gedehnt – wie ein Gummiband in einer zähen Masse. Das verstärkt die Wirbelbildung und fördert die Ansammlung von Teilchen in den Hochdruckgebieten.

Die Computersimulationen begannen mit Gesteinsbrocken von einigen Dutzend Zentimetern Durchmessern. Diese lagerten sich in den Wirbeln rasch zusammen und reicherten innerhalb weniger Umläufe so viel Material an, dass sie bald einen Körper von etwa 1000 Kilometer Durchmesser bildeten. Das entspricht der Größe des Planetoiden Ceres. Bei jedem folgenden Umlauf wuchs dieser Protoplanet weiter, bis er nach nur sieben Umläufen die 3,5-fache Masse von Ceres erreicht hatte. Im Planetoidengürtel unseres Sonnensystems entspricht das einer Zeitspanne von nur wenigen Dutzend Jahren.

DAS PROBLEM IST DIE KLIRRENDE KÄLTE

Ist hier des Rätsels Lösung, wie es den Klümpchen in der protoplanetaren Scheibe gelingt, im Stern nicht zu verdampfen und beim Wachsen die Zentimeter-Barriere zu überwinden? Vieles spricht dafür. Aber: Ein Magnetfeld kann die Turbulenzen nur dann verstärken, wenn die Materie in der Scheibe ionisiert ist. Das heißt, die Atome des Gases müssen zumindest teilweise ihre Elektronen verloren haben. Nur dann können die elektrisch geladenen Atome, die Ionen, von dem Magnetfeld mitgerissen werden. Doch vor allem in den Außenbereichen der protoplanetaren Scheiben ist es vermutlich so kalt, dass das Gas nicht ionisiert ist. Trotz solcher ungeklärten Fragen sind viele Astrophysiker von einem Durchbruch überzeugt. Beispielsweise Jürgen Blum: „Zum ersten Mal lässt sich damit überzeugend erklären, wie das Wachstum vom Mikrometerstaub bis zum Planeten vor sich geht.”

Die Beobachtungen der protoplanetaren Scheiben haben Astronomen noch zu vielen anderen Erkenntnissen verholfen. Zum Beispiel über die Dauer der Planetenentstehung: Die Untersuchungen unterschiedlich alter Sterne hatten schon vor längerer Zeit belegt, dass der Staub wenige Dutzend Millionen Jahre nach der Geburt des Gestirns verschwunden ist. Ähnlich sieht es mit dem Gas in der Scheibe aus. So fand eine Gruppe um Ilaria Pascucci vom Steward Observatory in Tucson, Arizona, durch Beobachtung von acht jungen Sternen mit dem Infrarotteleskop Spitzer heraus, dass das Gas innerhalb von 30 Millionen Jahren verdampft ist. So viel Zeit bleibt also den Planeten, um sich zu formen – ein Wettlauf mit der Zeit.

Wie lange die Geburt wirklich dauert, wussten die Forscher bis vor Kurzem aber nicht. Dafür müssten sie möglichst junge extrasolare Planeten finden. Bis Ende letzten Jahres war der jüngste bekannte Planet freilich stattliche 500 Millionen Jahre alt – der Wiege also längst entwachsen. Dass die Forscher keinen jungen Planeten finden konnten, lag an der mangelhaften Nachweistechnik. Exoplaneten sind so lichtschwach, dass sie sich nur indirekt aufspüren lassen. Meist geschieht das mit der Doppler-Methode: Man beobachtet ein leichtes Hinundherschwingen des Sterns, verursacht durch die Schwerkraft des umlaufenden Planeten. Doch bei jungen Sternen funktionierte dieses Verfahren bislang nicht, weil sie sehr aktiv sind. Pulsationen des gesamten Sternkörpers, Rotationsschwankungen und Sternflecken können die Wirkung eines Planeten vortäuschen. Aus diesem Grund klammerten die Astronomen bislang junge Sterne aus ihren Suchprogrammen nach extrasolaren Planeten aus. Doch Johny Setiawan vom Max-Planck-Institut für Astronomie und seine Kollegen haben jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem sie aus Merkmalen des spektral zerlegten Sternlichts solche Störfaktoren ausschließen können.

ZEHNMAL SCHWERER ALS JUPITER

Die Astronomen suchten bei etwa 200 jungen Sternen nach Planeten – und wurden nach vier Jahren bei dem 182 Lichtjahre entfernten, 8 bis 10 Millionen Jahre alten Stern TW Hydrae fündig. Dort entdeckten sie die eindeutige Signatur eines Riesenplaneten, der etwa zehnmal schwerer als Jupiter ist und nicht älter als sein Zentral-stern sein kann. TW Hydrae b, wie der Planet genannt wird, ist nicht nur der jüngste bekannte Planet, sondern er ist auch der einzige, der sich noch in der Scheibe befindet, in der er entstanden ist. Diese Scheibe hatte ein amerikanisches Astronomenteam um John Krist vom Space Telescope Science Institute in Baltimore schon im Jahr 2000 mit dem Weltraumteleskop Hubble entdeckt. Die Heidelberger Astronomen haben also nebenbei auch bewiesen, dass solche Scheiben wirklich die Geburtsstätten von Planeten sind.

Dem Spitzer-Teleskop verdanken die Astronomen außerdem den Nachweis von Atomen, Molekülen und Mineralen in den protoplanetaren Scheiben. „Damit können wir uns der Chemie dieser Scheiben widmen”, sagt Thomas Henning. Eine der aufregendsten Entdeckungen dabei gelang einer Gruppe amerikanischer Astronomen um Dan Watson von der University of Rochester im US-Bundesstaat New York. Die Forscher beobachteten mit Spitzer einen rund 1000 Lichtjahre entfernten Nebel NGC 1333, der schon lange als Sternentstehungsgebiet bekannt ist. Darin verbirgt sich ein Objekt namens IRAS 4B, das mit einigen 10 000 Jahren zu den jüngsten bekannten Sternen zählt. Es ist noch vollständig von einer Wolke aus Gas und Staub umgeben. Doch Spitzer kann in sie hineinschauen, weil seine Infrarotstrahlung sie durchdringt. Zu ihrer Überraschung fanden Watson und seine Kollegen in dem Spektrum von IRAS 4B eine Fülle von Wasser-Signaturen.

Aus allen Beobachtungsdaten zeichnen die Forscher folgendes Bild: Der junge Stern ist bereits von einer dichten protoplanetaren Scheibe umgeben, die wiederum in eine ausgedehnte Wolke eingebettet ist. Aus dieser sinken Wassermoleküle auf die Scheibe herab und sammeln sich darin an. Diese Materie verteilt sich zwar auf eine Fläche entsprechend unserem heutigen Planetensystem. „Doch das nachgewiesene kondensierte Wasser würde ausreichen, um alle Ozeane auf der Erde fünfmal zu füllen”, schließt Watson. Überdies gibt es anscheinend erheblich mehr Wasser in der Wolke, als die Astronomen bislang aufspüren konnten. Dies zeigt einmal mehr, dass das Lebenselixier im Universum weit verbreitet ist – auch in den Wiegen der Planeten.

Und wie ist es mit der Entstehung von erdähnlichen Planeten? Eine vage Antwort darauf hat Anfang dieses Jahres ein internationales Astronomenteam um Lynne Hillenbrandt vom California Institute of Technology in Pasadena und Michael Meyer vom Steward Observatory gefunden. Mit dem Spitzer-Weltraumteleskop haben sie mehr als 300 Sterne beobachtet, deren Alter zwischen drei Millionen und drei Milliarden Jahre beträgt. Zum Vergleich: die Sonne ist 4,6 Milliarden Jahre alt. In der jüngsten Altersgruppe von 3 bis 30 Millionen Jahren besitzen demnach 18 Prozent eine Staubscheibe, im mittleren Alter von 30 bis 300 Millionen Jahren sind es noch 12 Prozent und bei den älteren Sternen nur noch 2 Prozent.

EINE ERDE Bei DER HÄLFTE DER STERNE?

Diese Staubscheiben waren indes nicht direkt zu erkennen, sondern sie verrieten sich im Spektrum durch intensive Infrarotstrahlung des warmen Staubs. Meyer und seine Kollegen schließen aus ihre Daten, dass nur die ganz jungen Sterne von protoplanetaren Scheiben umgeben sind, in denen sich Planeten bilden können. Die älteren Sterne besitzen dagegen sogenannte Trümmerscheiben. Sie entstehen, wenn Körper zusammenstoßen und dabei Staub frei wird. Auch in unserem Sonnensystem gibt es sie – im Planetoidengürtel zwischen Mars und Jupiter sowie im Kuiper-Ring jenseits der Neptun-Bahn. Die Interpretation der Spitzer-Messdaten ist nicht eindeutig, weil man nicht zweifelsfrei zwischen protoplanetaren und Trümmerscheiben unterscheiden kann.

Meyer schätzt jedoch, dass 20 bis 60 Prozent aller Sterne in der Lage sind, erdähnliche Planeten hervorzubringen. Diese Zahl ist abhängig von der Effizienz, mit der sich Gesteinsplaneten bilden. Genaue Daten gibt es nicht, aber dass die Natur terrestrische Welten hervorbringen kann, steht außer Frage. Die vier Vertreter Merkur, Venus, Erde und Mars im Sonnensystem sind der handfeste Beweise. ■

THOMAS BÜHRKE, promovierter Astronom und Wissenschaftsjournalist, schrieb in bdw zuletzt über die Sonnenrotation (9/2007).