Der dunkle Gesteinssplitter ist winzig – und außerirdischer Herkunft: die Probe eines Meteoriten. Julia Cartwright vom Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie versucht, sein Geheimnis zu entschlüsseln. In einem Ofen erhitzt sie die Probe schrittweise auf 1900 Grad Celsius. Obwohl der Splitter kaum ein Zehntel Gramm auf die Waage bringt, könnte er sich als wissenschaftliches Schwergewicht erweisen. Denn der kosmische Krümel gehörte einst zu einem Himmelskörper, der fast ein richtiger Planet geworden wäre. Solche Protoplaneten, auch Planetenembryos genannt, waren im ursprünglichen Sonnensystem häufig, und einige kollidierten miteinander. Die Bruchstücke solcher Urzeitplaneten kreuzten immer wieder die Erdbahn.
Ein solches Bruchstück ist Cartwrights Krümel. Er wurde in der Antarktis gefunden und PRA 04401 genannt. „Wir untersuchen seinen Gehalt an Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon”, erläutert die amerikanische Geologin. „Diese Edelgase werden im Ofen aus dem Gestein getrieben.” Der Gesteinssplitter ist ein sogenannter HED-Meteorit. Er stammt wohl vom Planetoiden Vesta (siehe Kasten rechts „Splitter von Planetenembryos”).
Wie Millionen anderer Kleinplaneten umkreist Vesta die Sonne zwischen Mars und Jupiter. Doch der Planetoid ist anders als seine Artgenossen: Wahrscheinlich ist er das letzte Exemplar einer ansonsten ausgestorbenen Gattung von Urplaneten. Da Vesta weder eine Gashülle noch ein Magnetfeld besitzt, ist sie dem Sonnenwind schutzlos ausgeliefert. Im Lauf der Äonen müsste der stetige solare Teilchenstrom seinen chemischen Fingerabdruck auf Vestas Oberfläche hinterlassen haben, vermutet Julia Cartwright: „ In Proben von der Oberfläche erwarten wir bei den Edelgas-Isotopen ähnliche Verhältnisse zu finden wie im Sonnenwind.” Und tatsächlich: Die ersten Resultate bestätigen, was Planetologen seit Längerem vermuten: Zumindest einige der HED-Meteoriten stammen von der Vesta-Oberfläche.
Puzzle der PlanetenGeburt
Ein weiteres Indiz: Der Mainzer Gesteinskrümel enthält Relikte einer anderen Meteoriten-Sorte, der „Kohligen Chondrite”. Rund fünf Prozent aller Meteoriten gehören in diese Gruppe. Äußerlich erinnern die dunklen, kohlenstoffhaltigen Steine an Holzkohlenbriketts. Viele Experten halten die seltsamen schwarzen Stellen, die sie auf den Fotos der Vesta-Oberfläche fanden, für die Einschlagsorte Kohliger Chondrite (bild der wissenschaft 10/2012, „Porträt eines Urplaneten”).
Es ist wie bei einem Puzzlespiel, das Meteoritenforscher, Planetologen und Astronomen Stück für Stück zusammensetzen. Das komplette Bild soll eines Tages eine Art Schnappschuss von der Geburt unserer Planeten zeigen. Dabei spielen die Kohligen Chondrite eine wichtige Rolle, denn auch sie gelten als Relikte des urzeitlichen Sonnensystems. Kosmochemiker haben in den vergangenen Jahrzehnten die Kohligen Chondrite analysiert und darin mehr als 400 organische Verbindungen gefunden, darunter über 80 Aminosäuren. Seit Längerem ist bekannt, dass diese Meteoriten viel chemisch gebundenes Wasser enthalten – bis zu 20 Prozent. Zudem fanden NASA-Forscher 2010 winzige flüssige Einschlüsse in manchen uralten Himmelssteinen.
Die ersten Lebenszonen?
Forschungsergebnisse, die im Fachjournal Icarus publiziert wurden, legen sogar nahe, dass auf einigen unfertigen Urplaneten lebensfreundliche Bedingungen geherrscht haben, bevor ausgewachsene Planeten wie unsere Erde entstanden. Vielleicht waren die Mutterkörper der Kohligen Chondrite die ersten habitablen Zonen im Sonnensystem.
Oleg Abramov vom Lunar and Planetary Science Institute im texanischen Houston kam zusammen mit seinen Kollegen zu dem Schluss, dass in den Mutterkörpern angenehme Temperaturen herrschten. In ihren Modellrechnungen haben die Urplaneten einen Durchmesser von 75 bis 200 Kilometer. Ihren Gehalt an Wassereis schätzen die Forscher auf 20 bis 40 Prozent.
Fest steht: Auf der Oberfläche der Urkörper war es damals viel kälter als im heutigen Planetoidengürtel – bis minus 220 Grad Celsius. Denn die junge Sonne leuchtete rund ein Drittel schwächer als heute, und der trübe solare Urnebel verschluckte viel Strahlung. Doch die Simulationsrechnungen zeigen: Die Urplaneten erwärmten sich schon bald von innen. Dabei gab es zwei wichtige Wärmequellen: einerseits die Wärme, die bei der Zusammenballung der planetaren Körper frei wurde, und andererseits die Zerfallswärme von Aluminium-26 aus dem Urnebel, das in die Mutterkörper eingebaut worden war. Das radioaktive Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 700 000 Jahren. Bereits nach etwa einer Million Jahren wurde die Hitze so stark, dass das Eis im Inneren schmolz.
Als das Wasser in die Leerräume des porösen Gesteins sickerte, könnten sich lebensfreundliche Umweltbedingungen eingestellt haben – nach den Rechnungen der Autoren bis zu 24 Millionen Jahre lang. Später waren die urtümlichen Himmelskörper für flüssiges Wasser wieder zu kalt. Ein Problem für die Entwicklung von Leben sehen die Forscher jedoch in der relativ schnellen Verschiebung der gemäßigten Temperaturzone innerhalb der Urplaneten: Während sie anfangs eher in den äußeren Schichten lag, wanderte sie im Lauf der Jahrmillionen ins Zentrum.
Rapides Wachstum
Stellenweise zeigt das Planeten-puzzle ein recht klares Bild – und es erklärt die Rolle der Planetenembryos. Ausgangspunkt ist die protoplanetare Scheibe, in der Gas und Staub die Ur-Sonne umwirbelten. Die Bildung der erdähnlichen Planeten fand darin in einem langsamen, mehrstufigen Prozess statt: Die ersten Urkörper waren die „Planetesimale”, die sich aus den fein verteilten festen Bestandteilen der Scheibe zusammengefügt hatten. Turbulente Gasströmungen in der Wolke spielten dabei wahrscheinlich eine wichtige Rolle.
Das Wachstum der Planetesimale geschah durch Kollisionen. Einige Exemplare wuchsen besonders schnell – und es entstanden größere Planetenembryos. Zunächst verzehrten diese die Planetesimale ihrer direkten Nachbarschaft. Die embryonale Erde beispielsweise erreichte so etwa zehn Prozent ihrer heutigen Masse, nimmt Hubert Klahr vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg an. Der Experte für Planetenentstehung und seine Kollegen können in ihren Simulationsrechnungen die Ausmaße der Embryos nur grob abschätzen. Sie sollen mindestens die Größe des Erdmonds erreicht haben. Aber sicher ist das nicht. Vesta bringt es heute jedenfalls nur auf 15 Prozent des Monddurchmessers. Offenbar wurde sie früh vom Futter für weiteres Wachstum abgeschnitten.
Die letzte Stufe des Geburtsvorgangs bildeten gewaltige Kollisionen der Planetenembryos untereinander. Diese Ära endete mit dem dramatischen Zusammenstoß eines marsgroßen Körpers mit der Urerde. Aus den Trümmern formte sich später der Mond (bild der wissenschaft 6/2010, „Ein Crash als Geburtsstunde des Mondes?” ). Astronomen schätzen die Gesamtdauer der Planetengeburt auf maximal 100 Millionen Jahre.
Ein Geschenk des Himmels
Welche Chemie spielte sich in den Ur-planeten ab? Hier ist das Puzzle erst schemenhaft. Viele organische Verbindungen „ernteten” die Urkörper wohl im interstellaren Medium. Doch einige Moleküle, die für die vorbiologische organische Chemie wichtig waren, bildeten sich im Inneren der Urkörper – und zwar durch chemische Reaktionen mit flüssigem Wasser. Das berichtete ein US-kanadisches Team um Christopher Herd von der University of Alberta im Magazin Science.
Die Wissenschaftler haben den Tagish-Lake-Meteoriten untersucht, der im Januar 2000 im abgelegenen Nordwesten Kanadas niederging. Ein Geschenk des Himmels, denn der Stein traf zwar den Tagish-See, versank aber nicht darin, da das über 100 Kilometer lange Gewässer zugefroren war. Die auffällige Feuerkugel löste eine Suche aus, und erste Bruchstücke wurden schon wenige Tage später geborgen. „Das geschah ohne Handkontakt” , betont der NASA-Astrobiologe Daniel Glavin, der an der Science-Studie mitwirkte. „Und das macht ihn zum besterhaltenen Meteoriten der Welt.”
Als die Wissenschaftler mehrere Bruchstücke untersuchten, stellten sie unterschiedliche Grade chemischer Veränderung fest. Die Prozesse hatten stattgefunden, als das Gestein noch Teil seines Mutterkörpers war. Dazu kommt, dass heißes Wasser auch organische Moleküle zerstört zu haben scheint: „Die höchsten Konzentrationen an Aminosäuren fanden wir in den ursprünglichsten Proben”, sagt Glavin. „Die Lebensbausteine darin waren 100 bis 1000 Mal so konzentriert wie im Meteoritengestein, das stärker durch hydrothermale Einwirkung verändert worden war.”
GefräSSige Planetenbabys
Auch die gasförmigen Riesenplaneten sind wahrscheinlich aus kleineren Körpern herangewachsen (siehe Kasten unten „Kraftfutter für Jupiter”). Sie enthalten nicht nur Gas, sondern auch Eis und Gestein. Im Zentrum des Gasriesen Jupiter dürfte sich ein fester Kern befinden. Nach den neuesten Simulationsrechnungen der Astrophysikerin Nadine Nettelmann könnte er bis zur 18-fachen Masse der heutigen Erde haben. Das klingt gewaltig, doch der Gesteinskern des Jupiters würde damit nicht einmal sechs Prozent der Gesamtmasse des Riesenplaneten ausmachen. Beim inneren Aufbau des größten Planeten gibt es noch viele Fragezeichen: Zwar ist Jupiter zweifellos der am besten erforschte Gasplanet, erklärt die Forscherin der Universität Rostock, aber aus wie vielen Schichten sein Inneres aufgebaut ist und ob er tatsächlich einen Gesteinskern hat, müssen Messungen noch klären. Die Hoffnungen richten sich auf die Juno-Sonde der NASA, die seit August 2011 dem Planetenriesen entgegenfliegt und dort 2016 eintreffen wird.
ENTDECKUNG IM STERNBILD STIER
Kürzlich sichteten Forscher um Adam Kraus von der University of Hawaii einen sehr jungen Gasplaneten 450 Lichtjahre entfernt im Sternbild Stier. Mit einem geschätzten Alter von zwei Millionen Jahren ist LkCa 15b, so der Katalogname, der embryonalen Phase zwar schon entwachsen und gewissermaßen ein Planetenbaby geworden. Der Fund ist trotzdem bemerkenswert, da bislang kein einziger extrasolarer Planet beobachtet wurde, der jünger als 10 bis 20 Millionen Jahre alt ist.
Das Forscherteam nutzte das riesige Keck-Teleskop des pazifischen Atolls, um das Licht des Planetenbabys von seinem viel helleren sonnenähnlichen Heimatstern zu trennen (bild der wissenschaft 11/2012, „Weitblick vom Feuerberg”). Das war eine technische Meisterleistung, denn der Winkelabstand zwischen Exoplanet und Stern ist winzig: Bei einer gegenseitigen Entfernung von elf Astronomischen Einheiten – dem elffachen Abstand von Erde und Son- ne – entspricht dieser Winkel lediglich dem 0,00002sten Teil eines Winkelgrads. Entlang seiner Umlaufbahn hat LkCa 15b bereits eine Lücke in die protoplanetare Scheibe gefressen – das Gas und die Planetesimale dort dürften größtenteils seinem gewaltigen Appetit zum Opfer gefallen sein.
Die planetaren Geburtsprozesse sind komplexe Vorgänge und werden die Astronomen noch lange beschäftigen. So wird die Größe der Planetesimale, die von den Embryos verspeist wurden, noch kontrovers diskutiert. Doch das Tempo, mit dem neue Beobachtungen und die Resultate von Computersimulationen zusammengetragen werden, hat sich seit der Entdeckung der ersten Exoplaneten in den 1990er-Jahren enorm beschleunigt. Neue Instrumente könnten entscheidende Puzzlesteine beisteuern – etwa das Millimeterwellen-Teleskop ALMA, das zurzeit in der chilenischen Atacamawüste aufgebaut wird. Die Astronomen sind zuversichtlich, bald genau zu wissen, wie sich die Erde und die anderen Planeten vor Jahrmilliarden zu unserer Sonne gesellt haben – und wie später das Leben entstand. ■
THORSTEN DAMBECK ist regelmäßiger bdw-Autor. Im Oktober-Heft berichtete er über die Dawn-Mission zum Planetoiden Vesta.
von Thorsten Dambeck
LESEN
Kurze Einführung zur Entstehung des Sonnensystems: Bernd Lang DAS SONNENSYSTEM Springer/Spektrum, Heidelberg 2006 € 14,50
Fachbuch zur Planetengeburt: Hubert Klahr, Wolfgang Brandner PLANET FORMATION: THEORY, OBSERVATIONS, AND EXPERIMENTS Cambridge University Press Cambridge 2006, € 29,27
Populäre Sachbücher über Meteoriten: Ludolf Schulz, Jochen Schlüter METEORITE Primus, Darmstadt 2012, € 19,90
William A. Cassidy METEORITES, ICE AND ANTARCTICA Cambridge University Press New York 2012, € 27,40
INTERNET
Die Juno-Mission der NASA: www.nasa.gov/mission_pages/juno/main/index.html
Kompakt
· Der Gasplanet Jupiter brauchte kaum ein Zehntel so lange wie die Erde, um zu seiner heutigen Größe anzuwachsen. Trotzdem hat er die 318- fache Erdmasse.
· Bevor es die terrestrischen Planeten gab, könnten im frühen Sonnensystem lebensfreundliche Bedingungen geherrscht haben – für Dutzende von Millionen Jahren.
Splitter von Planetenembryos
Das Kürzel HED steht für Howardite, Eukrite und Diogenite – allesamt Steinmeteorite. Rund fünf Prozent der Meteoritenfälle werden als HED klassifiziert. Forscher deuten sie als Fragmente des Planetoiden Vesta, da ihre Reflektionsspektren stark dem von Vesta ähneln. Erste chemische Analysen der Dawn-Sonde aus der Umlaufbahn von Vestas Oberflächengestein unterstützen diese Theorie. Die Untersuchung der HED-Meteoriten prägt das Bild, das sich die Wissenschaftler von Vesta machen: Sie erkennen darin Anzeichen für eine frühe Aufschmelzung des Mutterkörpers. Offenbar gab es auf Vesta einst Vulkanismus.
Howardite sind Krustengesteine, ähnlich irdischem Basalt. Diogenite stammen hingegen aus größeren Tiefen. Und die Eukrite sind wahrscheinlich Mischungen beider Gesteinstypen, die bei Einschlägen entstanden sind. Neben den Meteoriten vom Mond und den Mars-Meteoriten sind die HED-Meteoriten die einzigen, deren Mutterkörper sich recht sicher angeben lässt.
Kraftfutter für Jupiter
In der „protoplanetaren Gas- und Staubscheibe” des frühen Sonnensystems wuchsen zuerst Gasplaneten wie der Jupiter heran. Obwohl diese Gasriesen erheblich massereicher sind als die terrestrischen Planeten (Erde, Mars, Venus und Merkur), ging ihre Geburt viel schneller vonstatten. Denn die fand anders als die der Erde jenseits der „Schneelinie” statt: Das heißt, die Sonne war so weit entfernt, dass das Wasser der protoplanetaren Scheibe dort zu Eis gefrieren konnte. In dem hierarchischen Wachstumsprozess bildeten sich zuerst Billionen von Planetesimalen. Aus dieser gewaltigen Gruppe tat sich schließlich ein Planetenembryo hervor, der rasch die benachbarten Planetesimale verschlang. Dieser Jupiter-Embryo fand in seiner Geburtsregion durch die Fülle an Planetesimalen ungleich mehr Nahrung vor als die Erde, die näher bei der Sonne entstand. Er entwickelte sich deshalb zu einem Giganten mit schätzungsweise fünf bis zehn Erdmassen. Mit seiner beträchtlichen Schwerkraft zog der embryonale Koloss große Mengen leichter Gase an und legte sich in kurzer Zeit eine dicke Mantelschicht aus Wasserstoff und Helium zu. Um sich seine heutigen 318 Erdmassen „anzufressen”, brauchte Jupiter wohl nur wenige Millionen Jahre.
