Planet - Physikalischer Verein

Kosmogonie
Entstehung
des
Sonnensystems
Sonnensystem
© Dr. R. Göhring
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VII-2
Quelle: NASA/JPL
Bildung der protoplanetaren Scheibe
• Während des Kollaps eine großen
interstellaren Wolke bilden sich
Wolken-Fragmente, deren Masse
größer als die Jeans-Masse ist.
• Diese Fragmente kollabieren selbst
wieder zu einzelnen Sternen.
• Durch den vorhandenen Drehimpuls
der Gasmasse bildet sich eine
Scheibe aus:
Bild: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF
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– entlang der Rotationsachse unterliegt
das Gas nahezu ausschließlich der
Gravitation;
– senkrecht zur Rotationsachse
überwiegt die Fliehkraft, so daß die
Scheibe immer flacher wird.
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VII-3
Akkretionsscheiben
Quelle: Wikipedia
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VII-4
Die Umgebung von HL Tauri in einer Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble. Oben rechts die ALMA-Beobachtungen der
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VII-6
Staubscheibe um den Stern. Bild: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO),
ESA/Hubble und NASA / Judy Schmidt
Junge Sterne leben gefährlich
•
Sternentstehungsgebiet W5
im Sternbild Kassiopeia
aufgenommen von dem IRSatteliten Spitzer.
•
W5 ist 6.500 Lichtjahre von
uns entfernt.
•
Helle, junge Sterne mit ca.
20-facher Sonnenmasse
„blasen“ das Material aus
der Umgebung der
kleineren, sonnenähnlichen
Sterne.
•
Die sonnenähnlichen Sterne
sind 2 bis 3 Millionen Jahre
alt.
•
Planetenentstehung wird so
unterdrückt.
Bild: NASA / JPL-Caltech / Harvard-Smithsonian CfA
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VII-7
Staubkonzentration
Quelle: http://www.igep.tu-bs.de/layout/
•
Die Materie der protoplanetaren Scheibe
besteht aus Gas – im wesentlichen
Wasserstoff uns Helium –, in das 1 mm große
Partikel des interstellaren Staubes eingelagert
sind.
•
Die Partikel werden in Wirbeln oder
Spiralarmen konzentriert.
•
An den Stellen erhöhter Staubkonzentration
lagern sich die Partikel erst zu linearen
Ketten, Verzweigungen und schließlich zu
komplexen fraktalen Strukturen durch Vander-Waals-Kräfte zusammen.
•
Ab einer Größe von ca. 1 cm werden die
„Staubflocken“ komprimiert und koppeln sich
Gasstrom ab.
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VII-8
„Staubwachstum“
Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml
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VII-9
Vom Staubkorn zum Planetesimal
• Der Begriff wurde durch den amerikanischen Geologen T.C.
Chamberlin eingeführt als Kombination aus „Planet“ und
„infinitesimal“.
• Man versteht darunter Objekte von einem Durchmesser bis
zu einem Kilometer.
• Planetesimale entstehen durch sukzessive Anlagerung von
Staubflocken niedriger Relativgeschwindigkeit.
• Der Zusammenhalt wird hier noch durch die Van-derWaals-Kräfte bewerkstelligt.
• Die Eigengravitation spielt bei diesen Objekten noch keine
Rolle.
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VII-10
Asteroiden
Asteroid Ida
•
Asteroiden sind Objekte, größer als
1km Durchmesser, so daß sie Objekte
ihrer Umgebung gravitativ binden
können.
•
Der Kollisionsquerschnitt – ein Maß
für die Wahrscheinlichkeit der
Kollision zweier Objekte – wächst mit
der 4. Potenz des Objektradius.
•
Große Objekte wachsen auf Kosten
kleinerer Objekte.
•
Asteroiden bleiben so klein, daß sie
keine Kugelform annehmen und
erscheinen im Fernrohr als
Lichtpunkt, deshalb der Name.
•
Offiziell als „Kleinkörper“ (auch
Kleinplaneten) bezeichnet.
Quelle: Wikipedia
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VII-11
Asteroid „Frankfurt“
Die Amateurastronomen Erwin Schwab
und Rainer Kling sind seit 2006 an
der Taunus-Sternwarte des
Physikalischen Vereins auf der Jagd
nach kleinen Planeten. Sie können
bereits auf etliche Entdeckungen
verweisen. Nun trägt einer ihrer ersten
Kleinplaneten-Entdeckungen offiziell
den Namen "Frankfurt". Kling und
Schwab fanden den Asteroiden mit
ungefähr 2 bis 3 Kilometern
Durchmesser in der Nacht vom 15.
auf den 16. September 2007. Zum
Zeitpunkt der Entdeckung befand er
sich an seinem nächsten Punkt zur
Erde in rund 280 Millionen Km
Entfernung (Lichtlaufzeit 15 Minuten).
Kleinplanet Frankfurt bewegt sich auf
einer fast kreisförmigen Bahn zwischen
Mars und Jupiter. Für einen Umlauf um
die Sonne braucht er 4,5 Jahre.
Quelle: http://home.arcor.de/erwinschwab/Frankfurt.htm
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VII-12
Zwergplanet
•
Große Objekte bewirken durch ihre
Gravitation einen ständigen „Beschuß“ durch
kleinere, der sie zum Aufschmelzen bringt.
•
Ein weiterer Beitrag zur hohen Temperatur
liefern radioaktive Elemente.
•
Sie sind so groß, daß sie nach dem
Aufschmelzen im hydrostatischen
Gleichgewicht eine runde Form
angenommen haben.
•
In dieser Form kühlen sie langsam ab, wobei
sich dabei die chemischen Bestandteile
trennen: schwere Elemente, z.B Fe, sinken
nach innen, Silikate bleiben in der Kruste.
•
Definition der Begriffe „Zwergplanet“ und
„Planet“ durch IAU vom 24. August 2006
Ceres
Quelle: Wikipedia
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VII-13
Definition der IAU für Kleinplaneten und Planeten
• Ein Himmelskörper ist ein Zwergplanet, wenn er
– sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und
– über eine ausreichende Masse verfügt, um durch seine
Eigengravitation eine annähernd runde Form (hydrostatisches
Gleichgewicht) zu bilden und
– die Umgebung seiner Bahn nicht bereinigt hat (d.h. weitere
Körper auf ähnlichen Umlaufbahnen vorkommen) und
– kein Mond ist.
• Ein Himmelskörper ist ein Planet, wenn er
– sich auf einer Bahn um die Sonne befindet und
– über eine ausreichende Masse verfügt, um durch seine
Eigengravitation eine annähernd runde Form (hydrostatisches
Gleichgewicht) zu bilden und
– die Umgebung seiner Bahn bereinigt hat (d.h. keine weitere
Körper auf ähnlichen Umlaufbahn vorkommen) und
– kein Mond ist.
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VII-14
Entstehung der (Stein-) Planeten
•
Bei Objekten mit einem Radius von
1 km ist Gravitation bestimmend für
die Wechselwirkung mit der
Umgebung.
•
Der Kollisionsquerschnitt – verantwortlich – für die Wechselwirkung des
Objektes mit der Umgebung wächst
mit der 4. Potenz des Radius.
•
Die Zahl der „Zusammenstöße“ wird
so sehr stark erhöht.
•
Große Objekte wachsen so auf Kosten
der kleinen.
•
Abschätzungen ergeben, daß aus
einem Objekt mit einem Radius von
1 km in ca. 100.000 Jahren ein Planet
in der Größe der Erde entstehen kann.
Bild: NASA/JPL-Caltech
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VII-15
„Scheegrenze“
• Mit wachsendem Abstand von der Sonne nimmt die Staubdichte
(im Verhältnis zu der Gasdichte) immer mehr ab, so daß die
Planetenentstehung immer mehr abnimmt. Jenseits der Bahn des
Mars kommt daher die Entstehung von Planeten zum erliegen und
es bilden sich höchstens noch Zwergplaneten (z.B. Ceres).
• In den kälteren Regionen der Akkretionsscheibe bei Temperaturen
unter 170 K kondensiert der Wasserdampf an den Staubteilchen
zu Eis und das Verhältnis Staub : Gas ändert sich dramatisch:
T > 170 K  MStaub : MGas ~ 1:240
T < 170 K  MStaub : MGas ~ 1:60
Diese Grenze, die „Schneegrenze“ liegt zwischen Mars- und
Jupiterbahn.
• Jenseits der „Schneegrenze“ ist der Staubanteil vier mal höher als
davor; so können wieder Planeten entstehen – die großen
Gasplaneten.
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VII-16
Die Großen Gasplaneten
•
Die Entwicklung der großen Gasplaneten verläuft zunächst genau so
wie bei den erdähnlichen Planeten.
Uranus
•
Wenn allerdings die Masse des neuen
Planeten MPlanet > 5·MErde ist, dann
beginnt er, das Gas aus der
Akkretionsscheibe einzusammeln.
Saturn
•
Wieviel Gas solch ein Planet
akkregieren kann, hängt davon ab,
wie hoch die Temperatur der
Gashülle wird, bzw. wie schnell er die
entstandene Temperatur wieder abstrahlen kann.
•
So war z.B. der Jupiter im Stande,
300 Erdmasse an Gas an sich zu
binden.
Neptun
Jupiter
Quelle: Wikipedia
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VII-18
Monde des Sonnensystems
Quelle: Wikipedia
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VII-20
Szenarien zur Entstehung der Monde
Quelle: http://starchild.gsfc.nasa.gov/Images/
Die Monde des
Jupiters und des
Saturn entstanden
wahrscheinlich aus
einer Akkretionsscheibe des Planeten.
Die beiden Monde
Phobos und Diemosdes Mars sind
eingefangenene
Planetoiden.
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Der Mond der Erde entstammt einem
Zusammenprall der Erde mit einem
Objekt der Größe des Mars. Dadurch
wurde Material der Erdkruste in das
All geschleudert und fügte sich zu
dem Mond zusammen. Die große
Ähnlichkeit von Mondmaterial mit dem
der Erdkruste spricht für diese Annahme.
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VII-21