Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems - Formation and evolution of the Solar System

Künstlerische Konzeption einer protoplanetaren Scheibe

Die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems begann vor etwa 4,5 Milliarden Jahren mit dem gravitativen Kollaps eines kleinen Teils einer riesigen Molekülwolke . Der größte Teil der kollabierenden Masse sammelte sich im Zentrum und bildete die Sonne , während der Rest zu einer protoplanetaren Scheibe abflachte , aus der sich die Planeten , Monde , Asteroiden und andere kleine Körper des Sonnensystems bildeten.

Dieses als Nebelhypothese bekannte Modell wurde erstmals im 18. Jahrhundert von Emanuel Swedenborg , Immanuel Kant und Pierre-Simon Laplace entwickelt . Seine spätere Entwicklung hat eine Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen wie Astronomie , Chemie , Geologie , Physik und Planetenwissenschaften miteinander verwoben . Seit Beginn des Weltraumzeitalters in den 1950er Jahren und der Entdeckung extrasolarer Planeten in den 1990er Jahren wurde das Modell sowohl in Frage gestellt als auch verfeinert, um neue Beobachtungen zu berücksichtigen.

Das Sonnensystem hat sich seit seiner Entstehung erheblich weiterentwickelt. Viele Monde haben sich aus kreisenden Gas- und Staubscheiben um ihre Mutterplaneten gebildet, während man annimmt, dass andere Monde unabhängig voneinander entstanden und später von ihren Planeten eingefangen wurden. Wieder andere, wie der Erdmond , können das Ergebnis riesiger Kollisionen sein . Kollisionen zwischen Körpern haben sich bis heute kontinuierlich ereignet und waren von zentraler Bedeutung für die Entwicklung des Sonnensystems. Die Positionen der Planeten könnten sich aufgrund von Gravitationswechselwirkungen verschoben haben. Es wird angenommen, dass diese planetarische Migration für einen Großteil der frühen Entwicklung des Sonnensystems verantwortlich war.

In ungefähr 5 Milliarden Jahren wird die Sonne abkühlen und sich auf ein Vielfaches ihres aktuellen Durchmessers ausdehnen (und ein roter Riese werden ), bevor sie ihre äußeren Schichten als planetarischer Nebel abwirft und einen stellaren Überrest zurücklässt, der als weißer Zwerg bekannt ist . In ferner Zukunft wird die Anziehungskraft vorbeiziehender Sterne das Planetengefolge der Sonne allmählich verringern. Einige Planeten werden zerstört, andere in den interstellaren Raum geschleudert . Letztendlich ist es wahrscheinlich, dass im Laufe von Dutzenden von Milliarden von Jahren keiner der ursprünglichen Körper um sie herum zurückbleibt.

Geschichte

Pierre-Simon Laplace , einer der Begründer der Nebelhypothese

Ideen über den Ursprung und das Schicksal der Welt stammen aus den frühesten bekannten Schriften; fast die ganze Zeit über gab es jedoch keinen Versuch, solche Theorien mit der Existenz eines "Sonnensystems" zu verbinden, einfach weil man allgemein nicht glaubte, dass das Sonnensystem in dem Sinne, wie wir es heute verstehen, existierte. Der erste Schritt zu einer Theorie der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems war die allgemeine Akzeptanz des Heliozentrismus , der die Sonne in den Mittelpunkt des Systems und die Erde in eine Umlaufbahn um sie stellte. Dieses Konzept hatte sich über Jahrtausende entwickelt ( Aristarch von Samos hatte es bereits 250 v. Chr. vorgeschlagen), fand aber erst Ende des 17. Jahrhunderts breite Akzeptanz. Die erste urkundliche Verwendung des Begriffs „Sonnensystem“ stammt aus dem Jahr 1704.

Die aktuelle Standardtheorie für Sonnensystembildung, die Nebularhypothese , hat sich in und in Ungnade , da seine Formulierung von gefallenen Emanuel Swedenborgs , Immanuel Kant , und Pierre-Simon Laplace im 18. Jahrhundert. Die wichtigste Kritik an der Hypothese war ihre offensichtliche Unfähigkeit, den relativen Mangel an Drehimpuls der Sonne im Vergleich zu den Planeten zu erklären . Studien an jungen Sternen haben jedoch seit den frühen 1980er Jahren gezeigt, dass sie von kühlen Staub- und Gasscheiben umgeben sind, genau wie die Nebelhypothese vorhersagt, was zu ihrer Wiederaufnahme führte.

Um zu verstehen, wie sich die Sonne voraussichtlich weiterentwickeln wird, war ein Verständnis der Quelle ihrer Kraft erforderlich. Arthur Stanley Eddington ‚s Bestätigung von Albert Einstein ‘ s Relativitätstheorie zu seiner Erkenntnis geführt , dass die Energie der Sonne herkommt Kernfusionsreaktionen in seinem Kern, Fusionieren Wasserstoff in Helium. 1935 ging Eddington noch weiter und schlug vor, dass sich auch andere Elemente in Sternen bilden könnten. Fred Hoyle erarbeitet auf dieser Prämisse mit dem Argument , dass entwickelte Sterne genannt roten Riesen schuf viele Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium in ihren Kernen. Wenn ein Roter Riese schließlich seine äußeren Schichten abwirft, würden diese Elemente dann recycelt, um andere Sternensysteme zu bilden.

Formation

Präsolarer Nebel

Die Nebelhypothese besagt, dass das Sonnensystem durch den gravitativen Kollaps eines Fragments einer riesigen Molekülwolke entstanden ist . Die Wolke hatte einen Durchmesser von etwa 20  Parsec (65 Lichtjahre), während die Fragmente einen Durchmesser von etwa 1 Parsec (dreieinviertel Lichtjahre ) hatten. Der weitere Zusammenbruch der Fragmente führte zur Bildung dichter Kerne mit einer Größe von 0,01–0,1 Parsec (2.000–20.000  AE ). Eines dieser kollabierenden Fragmente (bekannt als der präsolare Nebel ) bildete das heutige Sonnensystem. Die Zusammensetzung dieser Region mit einer Masse knapp über der der Sonne ( M ) war ungefähr die gleiche wie die der heutigen Sonne, wobei Wasserstoff zusammen mit Helium und Spuren von Lithium, das durch die Urknall-Nukleosynthese produziert wurde, etwa 98% ausmachte. seiner Masse. Die restlichen 2% der Masse bestanden aus schwereren Elementen , die in früheren Sternengenerationen durch Nukleosynthese entstanden sind . Spät im Leben dieser Sterne schleuderten sie schwerere Elemente in das interstellare Medium .

Hubble-Bild von protoplanetaren Scheiben im Orionnebel , einer Lichtjahre breiten "stellaren Kinderstube", die dem Urnebel, aus dem die Sonne entstand, wahrscheinlich sehr ähnlich ist

Die ältesten in Meteoriten gefundenen Einschlüsse , von denen angenommen wird, dass sie das erste feste Material sind, das sich im präsolaren Nebel gebildet hat, sind 4568,2 Millionen Jahre alt, was eine Definition des Alters des Sonnensystems ist. Studien an alten Meteoriten zeigen Spuren von stabilen Tochterkernen kurzlebiger Isotope wie Eisen-60 , die sich nur in explodierenden, kurzlebigen Sternen bilden. Dies deutet darauf hin, dass in der Nähe eine oder mehrere Supernovae aufgetreten sind. Eine Schockwelle einer Supernova könnte die Entstehung der Sonne ausgelöst haben, indem sie relativ dichte Regionen innerhalb der Wolke erzeugte, die zum Kollaps dieser Regionen führten. Da nur massereiche, kurzlebige Sterne Supernovae produzieren, muss sich die Sonne in einer großen Sternentstehungsregion gebildet haben, die massereiche Sterne hervorbrachte, möglicherweise ähnlich dem Orionnebel . Untersuchungen der Struktur des Kuiper - Gürtels und die anomalen Materialien innerhalb es nahe , dass die Sonne mit einem Durchmesser zwischen 6,5 und 19,5 Lichtjahre und einer kollektiven Masse von 3000 innerhalb eines Clusters von zwischen 1.000 und 10.000 Sternen gebildet  M . Dieser Cluster begann zwischen 135 Millionen und 535 Millionen Jahre nach seiner Bildung auseinanderzubrechen. Mehrere Simulationen unserer jungen Sonne, die in den ersten 100 Millionen Jahren ihres Lebens mit nahe vorbeiziehenden Sternen interagiert, erzeugen anomale Umlaufbahnen, die im äußeren Sonnensystem beobachtet werden, wie zum Beispiel abgelöste Objekte .

Wegen der Drehimpulserhaltung drehte sich der Nebel beim Kollaps schneller. Als das Material im Nebel kondensierte, begannen die Atome darin mit zunehmender Häufigkeit zu kollidieren und ihre kinetische Energie in Wärme umzuwandeln . Das Zentrum, in dem sich die meiste Masse sammelte, wurde immer heißer als die umgebende Scheibe. Im Laufe von etwa 100.000 Jahren führten die konkurrierenden Kräfte der Schwerkraft, des Gasdrucks, der Magnetfelder und der Rotation dazu, dass sich der kontrahierende Nebel zu einer rotierenden protoplanetaren Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 200 AE abflachte und einen heißen, dichten Protostern (ein Stern, in dem Wasserstoff Fusion hat noch nicht begonnen) im Zentrum.

An diesem Punkt ihrer Entwicklung wird angenommen, dass die Sonne ein T-Tauri-Stern war . Studien an T-Tauri-Sternen zeigen, dass sie oft von Scheiben aus präplanetarer Materie mit Massen von 0,001–0,1  M ☉ begleitet werden . Diese Scheiben erstrecken sich über mehrere hundert  AE – das Hubble-Weltraumteleskop hat protoplanetare Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu 1000 AE in Sternentstehungsregionen wie dem Orionnebel beobachtet – und sind ziemlich kühl und erreichen eine Oberflächentemperatur von nur etwa 1.000 K (730 .). °C; 1.340 °F) am heißesten. Innerhalb von 50 Millionen Jahren wurden Temperatur und Druck im Kern der Sonne so groß, dass ihr Wasserstoff zu verschmelzen begann und eine interne Energiequelle schuf, die der Gravitationskontraktion entgegenwirkte, bis das hydrostatische Gleichgewicht erreicht war. Dies markierte den Eintritt der Sonne in die Hauptphase ihres Lebens, die als Hauptreihe bekannt ist . Hauptreihensterne beziehen Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium in ihren Kernen. Die Sonne ist bis heute ein Hauptreihenstern. Als sich das frühe Sonnensystem weiter weiterentwickelte, driftete es schließlich von seinen Geschwistern in der stellaren Kinderstube ab und umkreiste weiterhin das Zentrum der Milchstraße .

Entstehung der Planeten

Es wird angenommen, dass sich die verschiedenen Planeten aus dem Sonnennebel gebildet haben, der scheibenförmigen Wolke aus Gas und Staub, die bei der Entstehung der Sonne übrig geblieben ist. Die derzeit akzeptierte Methode, mit der die Planeten gebildet wurden, ist die Akkretion , bei der die Planeten als Staubkörner in einer Umlaufbahn um den zentralen Protostern begannen. Durch direkten Kontakt und Selbstorganisation bildeten sich diese Körner zu Klumpen von bis zu 200 m (660 ft) Durchmesser, die wiederum kollidierten, um größere Körper ( Planetesimale ) von ~10 km (6,2 mi) Größe zu bilden. Diese nahmen durch weitere Kollisionen sukzessive zu und wuchsen im Laufe der nächsten Millionen Jahre um Zentimeter pro Jahr.

Das innere Sonnensystem , die Region des Sonnensystems innerhalb von 4 AE, war zu warm, um flüchtige Moleküle wie Wasser und Methan zu kondensieren, sodass sich die dort gebildeten Planetesimale nur aus Verbindungen mit hohen Schmelzpunkten wie Metallen (wie Eisen) bilden konnten , Nickel und Aluminium ) und felsige Silikate . Diese Gesteinskörper würden die terrestrischen Planeten ( Merkur , Venus , Erde und Mars ) werden. Diese Verbindungen sind im Universum ziemlich selten und machen nur 0,6% der Masse des Nebels aus, so dass die terrestrischen Planeten nicht sehr groß werden konnten. Die terrestrischen Embryonen wuchsen auf etwa 0,05 Erdmassen ( M 🜨 ) an und hörten etwa 100.000 Jahre nach der Entstehung der Sonne auf, Materie anzusammeln; nachfolgende Kollisionen und Verschmelzungen zwischen diesen planetengroßen Körpern ermöglichten es terrestrischen Planeten, ihre heutige Größe zu erreichen (siehe terrestrische Planeten unten).

Als sich die terrestrischen Planeten bildeten, blieben sie in einer Scheibe aus Gas und Staub eingetaucht. Das Gas wurde teilweise durch Druck unterstützt und umkreiste die Sonne daher nicht so schnell wie die Planeten. Der resultierende Widerstand und vor allem die Gravitationswechselwirkungen mit dem umgebenden Material führten zu einer Drehimpulsübertragung , wodurch die Planeten allmählich auf neue Umlaufbahnen wanderten. Modelle zeigen, dass Dichte- und Temperaturschwankungen in der Scheibe diese Migrationsrate bestimmen, aber der Nettotrend ging dahin, dass die inneren Planeten nach innen wanderten, wenn sich die Scheibe auflöste und die Planeten in ihren aktuellen Umlaufbahnen beließ.

Die Riesenplaneten ( Jupiter , Saturn , Uranus und Neptun ) bildeten sich weiter draußen, jenseits der Frostgrenze , die der Punkt zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter ist, wo das Material kühl genug ist, damit flüchtige eisige Verbindungen fest bleiben. Das Eis, das die Jupiterplaneten bildete, war reichlicher als die Metalle und Silikate, die die terrestrischen Planeten bildeten, was es den Riesenplaneten ermöglichte, massiv genug zu werden, um Wasserstoff und Helium, die leichtesten und am häufigsten vorkommenden Elemente , einzufangen . Planetesimale jenseits der Frostgrenze akkumulierten innerhalb von etwa 3 Millionen Jahren bis zu 4  M 🜨 . Heute machen die vier Riesenplaneten knapp 99 % der gesamten Masse aus, die die Sonne umkreist. Theoretiker glauben, dass es kein Zufall ist, dass Jupiter direkt hinter der Frostgrenze liegt. Da die Frostlinie durch Verdunstung von einfallendem Eismaterial große Wassermengen angesammelt hat, schuf sie eine Region mit niedrigerem Druck, die die Geschwindigkeit der umkreisenden Staubpartikel erhöhte und ihre Bewegung in Richtung Sonne stoppte. Tatsächlich fungierte die Frostlinie als Barriere, die dazu führte, dass sich Material schnell bei ~ 5 AE von der Sonne ansammelte. Dieses überschüssige Material verschmolz zu einem großen Embryo (oder Kern) in der Größenordnung von 10  M 🜨 , der durch die Ansammlung von Gas aus der umgebenden Scheibe mit immer höherer Geschwindigkeit eine Hülle ansammelte. Sobald die Hüllenmasse ungefähr gleich der festen Kernmasse wurde, schritt das Wachstum sehr schnell voran, erreichte ungefähr 150 Erdmassen ~10 5  Jahre später und erreichte schließlich bei 318  M 🜨 . Saturn könnte seine wesentlich geringere Masse einfach darauf zurückzuführen sein, dass er sich einige Millionen Jahre nach Jupiter gebildet hat, als weniger Gas zum Verbrauch zur Verfügung stand.

T-Tauri-Sterne wie die junge Sonne haben viel stärkere Sternwinde als stabilere, ältere Sterne. Uranus und Neptun sollen sich nach Jupiter und Saturn gebildet haben, als der starke Sonnenwind einen Großteil des Scheibenmaterials weggeblasen hatte. Infolgedessen akkumulierten diese Planeten wenig Wasserstoff und Helium – nicht mehr als jeweils 1  M 🜨 . Uranus und Neptun werden manchmal als ausgefallene Kerne bezeichnet. Das Hauptproblem der Entstehungstheorien für diese Planeten ist die Zeitskala ihrer Entstehung. An den heutigen Standorten hätte es Millionen von Jahren gedauert, bis sich ihre Kerne gebildet hatten. Dies bedeutet, dass sich Uranus und Neptun möglicherweise näher an der Sonne gebildet haben – in der Nähe oder sogar zwischen Jupiter und Saturn – und später ausgewandert sind oder nach außen geschleudert wurden (siehe Planetenwanderung unten). Die Bewegung in der planetesimalen Ära war nicht nur nach innen zur Sonne gerichtet; die Rückkehr der Stardust- Probe von Comet Wild 2 hat gezeigt, dass Materialien aus der frühen Bildung des Sonnensystems aus dem wärmeren inneren Sonnensystem in die Region des Kuiper-Gürtels gewandert sind.

Nach drei bis zehn Millionen Jahren hätte der Sonnenwind der jungen Sonne das gesamte Gas und den Staub aus der protoplanetaren Scheibe entfernt, in den interstellaren Raum geblasen und damit das Wachstum der Planeten beendet.

Nachfolgende Entwicklung

Ursprünglich wurde angenommen, dass sich die Planeten in oder in der Nähe ihrer aktuellen Umlaufbahnen gebildet haben. Dies wurde in den letzten 20 Jahren in Frage gestellt. Derzeit glauben viele Planetenwissenschaftler, dass das Sonnensystem nach seiner Entstehung ganz anders ausgesehen haben könnte: Im inneren Sonnensystem waren mehrere Objekte von mindestens der Masse des Merkur vorhanden, das äußere Sonnensystem war viel kompakter als jetzt, und der Kuipergürtel war der Sonne viel näher.

Terrestrische Planeten

Am Ende der Epoche der Planetenentstehung war das innere Sonnensystem von 50–100 mond- bis marsgroßen planetarischen Embryonen bevölkert . Weiteres Wachstum war nur möglich, weil diese Körper kollidierten und verschmolzen, was weniger als 100 Millionen Jahre dauerte. Diese Objekte hätten gravitativ miteinander interagiert, an ihren Bahnen gezerrt, bis sie kollidierten, und größer geworden, bis die vier terrestrischen Planeten, die wir heute kennen, Gestalt annahmen. Es wird angenommen, dass eine solche riesige Kollision den Mond gebildet hat (siehe Monde unten), während eine andere die äußere Hülle des jungen Merkur entfernte .

Ein ungelöstes Problem bei diesem Modell ist, dass es nicht erklären kann, wie die anfänglichen Umlaufbahnen der proto-terrestrischen Planeten, die für eine Kollision sehr exzentrisch sein müssen, die bemerkenswert stabilen und nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen erzeugten, die sie heute haben. Eine Hypothese für dieses "Exzentrizitätsdumping" ist, dass sich die Erden in einer Gasscheibe gebildet haben, die noch nicht von der Sonne ausgestoßen wurde. Der „ Gravitationswiderstand “ dieses Restgases hätte schließlich die Energie der Planeten gesenkt und ihre Umlaufbahnen geglättet. Allerdings hätte ein solches Gas, wenn es existierte, die Bahnen der terrestrischen Planeten von vornherein daran gehindert, so exzentrisch zu werden. Eine andere Hypothese ist, dass der Gravitationswiderstand nicht zwischen den Planeten und dem Restgas auftrat, sondern zwischen den Planeten und den verbleibenden kleinen Körpern. Als sich die großen Körper durch die Menge kleinerer Objekte bewegten, bildeten die kleineren Objekte, angezogen von der Schwerkraft der größeren Planeten, eine Region höherer Dichte, eine "Schwerkraftwelle", in der Bahn der größeren Objekte. Dabei verlangsamte die erhöhte Schwerkraft des Kielwassers die größeren Objekte auf regelmäßigere Umlaufbahnen.

Asteroidengürtel

Der äußere Rand der terrestrischen Region, zwischen 2 und 4 AE von der Sonne entfernt, wird als Asteroidengürtel bezeichnet . Der Asteroidengürtel enthielt anfangs mehr als genug Materie, um 2-3 erdähnliche Planeten zu bilden, und tatsächlich bildeten sich dort eine große Anzahl von Planetesimalen . Wie bei den terrestrischen Tieren verschmolzen die Planetesimalen in dieser Region später und bildeten 20–30 mond- bis marsgroße planetare Embryonen ; Die Nähe des Jupiter bedeutete jedoch, dass sich die Geschichte der Region dramatisch veränderte, nachdem sich dieser Planet 3 Millionen Jahre nach der Sonne gebildet hatte. Orbitale Resonanzen mit Jupiter und Saturn sind im Asteroidengürtel besonders stark, und Gravitationsinteraktionen mit massereicheren Embryonen haben viele Planetesimale in diese Resonanzen gestreut. Die Gravitation des Jupiter erhöhte die Geschwindigkeit von Objekten innerhalb dieser Resonanzen, was dazu führte, dass sie bei Kollision mit anderen Körpern zersplitterten, anstatt sich zu akkretieren.

Als Jupiter nach seiner Entstehung nach innen wanderte (siehe Planetarische Wanderung unten), wären Resonanzen über den Asteroidengürtel hinweggezogen, die Bevölkerung der Region dynamisch erregt und ihre Geschwindigkeiten relativ zueinander erhöht. Die kumulative Wirkung der Resonanzen und der Embryonen zerstreute entweder die Planetesimale vom Asteroidengürtel oder erregte ihre Bahnneigungen und Exzentrizitäten . Einige dieser massiven Embryonen wurden auch von Jupiter ausgestoßen, während andere möglicherweise in das innere Sonnensystem gewandert sind und eine Rolle bei der endgültigen Akkretion der terrestrischen Planeten gespielt haben. Während dieser primären Erschöpfungsperiode hinterließen die Auswirkungen der Riesenplaneten und planetarischen Embryonen den Asteroidengürtel mit einer Gesamtmasse von weniger als 1% der Masse der Erde, die hauptsächlich aus kleinen Planetesimalen bestand. Dies ist immer noch das 10- bis 20-fache der aktuellen Masse im Hauptgürtel, die jetzt etwa 0,0005  M beträgt . Es wird angenommen, dass eine sekundäre Erschöpfungsperiode folgte, die den Asteroidengürtel in die Nähe seiner gegenwärtigen Masse brachte, als Jupiter und Saturn in eine vorübergehende 2:1-Orbitalresonanz eintraten (siehe unten).

Die Zeit der riesigen Einschläge des inneren Sonnensystems spielte wahrscheinlich eine Rolle dabei, dass die Erde ihren aktuellen Wassergehalt (~6 × 10 21  kg) aus dem frühen Asteroidengürtel erhielt. Wasser ist zu flüchtig, um bei der Entstehung der Erde vorhanden gewesen zu sein und muss anschließend aus äußeren, kälteren Teilen des Sonnensystems geliefert worden sein. Das Wasser wurde wahrscheinlich von planetarischen Embryonen und kleinen Planetesimalen geliefert, die von Jupiter aus dem Asteroidengürtel geschleudert wurden. Eine 2006 entdeckte Population von Kometen des Hauptgürtels wurde ebenfalls als mögliche Quelle für das Wasser der Erde vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu lieferten Kometen aus dem Kuiper-Gürtel oder weiter entfernten Regionen nicht mehr als etwa 6% des Erdwassers. Die Panspermie- Hypothese besagt, dass das Leben selbst auf diese Weise auf der Erde abgelagert worden sein könnte, obwohl diese Idee nicht allgemein akzeptiert wird.

Planetenwanderung

Nach der Nebelhypothese könnten sich die äußeren beiden Planeten am "falschen Ort" befinden. Uranus und Neptun (bekannt als die „ Eisriesen “) existieren in einer Region, in der die geringere Dichte des Sonnennebels und längere Umlaufzeiten ihre Entstehung dort höchst unplausibel machen. Es wird stattdessen angenommen, dass sich die beiden in Umlaufbahnen in der Nähe von Jupiter und Saturn (bekannt als die " Gasriesen ") gebildet haben, wo mehr Material verfügbar war, und über Hunderte von Millionen von Jahren zu ihren aktuellen Positionen gewandert sind .

Simulation äußerer Planeten und Kuipergürtel:
a) vor Jupiter/Saturn 2:1 Resonanz
b) Streuung von Kuipergürtelobjekten in das Sonnensystem nach der Bahnverschiebung von Neptun
c) Nach dem Auswurf von Kuipergürtelkörpern durch Jupiter
  Umlaufbahn des Jupiter
  Umlaufbahn des Saturn
  Umlaufbahn von Uranus
  Umlaufbahn von Neptun

Die Wanderung der äußeren Planeten ist auch notwendig, um die Existenz und die Eigenschaften der äußersten Regionen des Sonnensystems zu erklären. Jenseits von Neptun setzt sich das Sonnensystem in den Kuiper-Gürtel , die Streuscheibe und die Oortsche Wolke fort , drei spärliche Populationen kleiner Eiskörper, von denen angenommen wird, dass sie die Ausgangspunkte für die meisten beobachteten Kometen sind . In ihrer Entfernung von der Sonne war die Akkretion zu langsam, um die Bildung von Planeten zu ermöglichen, bevor sich der Sonnennebel auflöste, und daher fehlte der ursprünglichen Scheibe genügend Massendichte, um sich zu einem Planeten zu verfestigen. Der Kuiper-Gürtel liegt zwischen 30 und 55 AE von der Sonne entfernt, während sich die weiter gestreute Scheibe auf über 100 AE erstreckt und die entfernte Oort-Wolke bei etwa 50.000 AE beginnt. Ursprünglich war der Kuiper-Gürtel jedoch viel dichter und näher an der Sonne mit einem Außenrand von etwa 30 AE. Sein innerer Rand hätte sich knapp jenseits der Bahnen von Uranus und Neptun befunden, die ihrerseits bei ihrer Entstehung viel näher an der Sonne waren (höchstwahrscheinlich im Bereich von 15–20 AE), und in 50% der Simulationen endete das Gegenteil Orte, wobei Uranus weiter von der Sonne entfernt ist als Neptun.

Nach dem Modell von Nizza änderten sich die Bahnen aller Riesenplaneten nach der Entstehung des Sonnensystems langsam weiter, beeinflusst durch ihre Wechselwirkung mit der großen Anzahl der verbleibenden Planetesimalen. Nach 500–600 Millionen Jahren (vor etwa 4 Milliarden Jahren) fielen Jupiter und Saturn in eine 2:1-Resonanz: Saturn umkreiste die Sonne einmal pro zwei Jupiterumläufe. Diese Resonanz erzeugte einen Gravitationsschub gegen die äußeren Planeten, was möglicherweise dazu führte, dass Neptun an Uranus vorbeiströmte und in den alten Kuipergürtel pflügte. Die Planeten zerstreuten den Großteil der kleinen Eiskörper nach innen, während sie sich selbst nach außen bewegten. Diese Planetesimale zerstreuten sich dann auf ähnliche Weise vom nächsten Planeten, auf den sie trafen, und bewegten die Umlaufbahnen der Planeten nach außen, während sie sich nach innen bewegten. Dieser Prozess dauerte an, bis die Planetesimale mit Jupiter interagierten, dessen immense Schwerkraft sie in hoch elliptische Bahnen schickte oder sogar direkt aus dem Sonnensystem schleuderte. Dadurch bewegte sich Jupiter leicht nach innen. Diese Objekte, die von Jupiter in stark elliptische Bahnen zerstreut wurden, bildeten die Oortsche Wolke; Diese Objekte, die in geringerem Maße vom wandernden Neptun zerstreut wurden, bildeten den aktuellen Kuiper-Gürtel und die Streuscheibe. Dieses Szenario erklärt die gegenwärtig geringe Masse des Kuipergürtels und der Streuscheibe. Einige der verstreuten Objekte, darunter Pluto , wurden gravitativ an die Umlaufbahn von Neptun gebunden und zwangen sie zu Resonanzen mit mittlerer Bewegung . Schließlich machte die Reibung innerhalb der Planetesimalscheibe die Umlaufbahnen von Uranus und Neptun wieder kreisförmig.

Im Gegensatz zu den äußeren Planeten dürften die inneren Planeten im Alter des Sonnensystems nicht wesentlich gewandert sein, da ihre Bahnen nach der Zeit der Rieseneinschläge stabil geblieben sind.

Eine andere Frage ist, warum der Mars im Vergleich zur Erde so klein herausgekommen ist. Eine Studie des Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, die am 6. Juni 2011 veröffentlicht wurde (als Grand-Tack-Hypothese bezeichnet ), schlägt vor, dass Jupiter nach innen auf 1,5 AE gewandert war. Nachdem sich Saturn gebildet, nach innen gewandert und die mittlere Bewegungsresonanz von 2:3 mit Jupiter festgestellt hatte, nimmt die Studie an, dass beide Planeten zu ihren gegenwärtigen Positionen zurückgewandert sind. Jupiter hätte also einen Großteil des Materials verbraucht, das einen größeren Mars geschaffen hätte. Dieselben Simulationen reproduzieren auch die Eigenschaften des modernen Asteroidengürtels mit trockenen Asteroiden und wasserreichen Objekten ähnlich wie Kometen. Es ist jedoch unklar, ob die Bedingungen im Sonnennebel Jupiter und Saturn erlaubt hätten, an ihre aktuellen Positionen zurückzukehren, und nach aktuellen Schätzungen erscheint diese Möglichkeit unwahrscheinlich. Darüber hinaus gibt es alternative Erklärungen für die geringe Masse des Mars.

Spätes schweres Bombardement und danach

Meteorkrater in Arizona. Es wurde vor 50.000 Jahren von einem Impaktor mit einem Durchmesser von etwa 50 Metern (160 Fuß) geschaffen und zeigt, dass die Akkretion des Sonnensystems noch nicht vorbei ist.

Die Gravitationsstörung durch die Wanderung der äußeren Planeten hätte eine große Anzahl von Asteroiden in das innere Sonnensystem geschickt und den ursprünglichen Gürtel stark ausgeschöpft, bis er die heutige extrem niedrige Masse erreichte. Dieses Ereignis könnte das späte schwere Bombardement ausgelöst haben, das vor etwa 4 Milliarden Jahren stattfand, 500 bis 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems. Diese Periode des schweren Bombardements dauerte mehrere hundert Millionen Jahre und ist in den Kratern, die noch heute auf geologisch toten Körpern des inneren Sonnensystems wie Mond und Merkur sichtbar sind, sichtbar. Der älteste bekannte Beweis für das Leben auf der Erde stammt aus der Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren – fast unmittelbar nach dem Ende des späten schweren Bombardements.

Es wird angenommen, dass Einschläge ein regelmäßiger (wenn auch derzeit seltener) Teil der Entwicklung des Sonnensystems sind. Dass sie weiterhin passieren, wird durch die Kollision des Kometen Shoemaker-Levy 9 mit Jupiter im Jahr 1994, das Jupiter-Einschlagsereignis 2009 , das Tunguska-Ereignis , der Tscheljabinsk-Meteor und der Einschlag, der den Meteorkrater in Arizona schuf, bewiesen . Der Akkretionsprozess ist daher nicht abgeschlossen und kann immer noch eine Bedrohung für das Leben auf der Erde darstellen.

Im Laufe der Entwicklung des Sonnensystems wurden Kometen durch die Schwerkraft der Riesenplaneten aus dem inneren Sonnensystem herausgeschleudert und Tausende von AE nach außen geschickt, um die Oort-Wolke zu bilden , einen kugelförmigen äußeren Schwarm von Kometenkernen am weitesten von die Anziehungskraft der Sonne. Schließlich, nach etwa 800 Millionen Jahren, begann die Gravitationsstörung, die durch galaktische Gezeiten , vorbeiziehende Sterne und riesige Molekülwolken verursacht wurde , die Wolke zu erschöpfen und Kometen in das innere Sonnensystem zu schicken. Die Entwicklung des äußeren Sonnensystems scheint auch von der Weltraumverwitterung durch den Sonnenwind, Mikrometeoriten und die neutralen Komponenten des interstellaren Mediums beeinflusst worden zu sein .

Die Entwicklung des Asteroidengürtels nach dem späten schweren Bombardement wurde hauptsächlich durch Kollisionen bestimmt. Objekte mit großer Masse haben genug Schwerkraft, um das durch eine heftige Kollision ausgeworfene Material zurückzuhalten. Im Asteroidengürtel ist dies normalerweise nicht der Fall. Infolgedessen wurden viele größere Objekte auseinandergebrochen und manchmal wurden aus den Überresten in weniger heftigen Kollisionen neuere Objekte geschmiedet. Monde um einige Asteroiden können derzeit nur als Verdichtungen von Material erklärt werden, das vom Mutterobjekt weggeschleudert wird, ohne genügend Energie, um seiner Schwerkraft vollständig zu entkommen.

Monde

Monde sind um die meisten Planeten und viele andere Körper des Sonnensystems herum entstanden. Diese natürlichen Satelliten entstanden durch einen von drei möglichen Mechanismen:

  • Co-Bildung aus einer zirkumplanetaren Scheibe (nur bei den Riesenplaneten);
  • Bildung aus Aufprallschutt (bei einem ausreichend großen Aufprall in einem flachen Winkel); und
  • Erfassung eines vorbeifahrenden Objekts.
Künstlerische Vorstellung des riesigen Einschlags, von dem angenommen wird, dass er den Mond geformt hat

Jupiter und Saturn haben mehrere große Monde wie Io , Europa , Ganymed und Titan , die aus Scheiben um jeden Riesenplaneten entstanden sein können, ähnlich wie die Planeten aus der Scheibe um die Sonne entstanden sind. Dieser Ursprung wird durch die großen Größen der Monde und ihre Nähe zum Planeten angezeigt. Diese Eigenschaften sind durch Einfangen unmöglich zu erreichen, während die gasförmige Natur der Primärteilchen auch eine Bildung aus Kollisionsschutt unwahrscheinlich macht. Die äußeren Monde der Riesenplaneten sind in der Regel klein und haben exzentrische Bahnen mit willkürlichen Neigungen. Dies sind die Eigenschaften, die von gefangenen Körpern erwartet werden. Die meisten dieser Monde kreisen in entgegengesetzter Richtung zur Rotation ihres Primärmondes. Der größte unregelmäßige Mond ist Neptuns Mond Triton , von dem man annimmt, dass es sich um ein eingefangenes Objekt des Kuipergürtels handelt .

Monde fester Körper des Sonnensystems sind sowohl durch Kollisionen als auch durch Einfangen entstanden. Die beiden kleinen Monde des Mars , Deimos und Phobos , gelten als eingefangene Asteroiden . Es wird angenommen, dass sich der Erdmond als Ergebnis einer einzigen großen Frontalkollision gebildet hat . Das auftreffende Objekt hatte wahrscheinlich eine mit der des Mars vergleichbare Masse, und der Einschlag ereignete sich wahrscheinlich gegen Ende der Zeit der Rieseneinschläge. Durch die Kollision wurde ein Teil des Mantels des Impaktors in die Umlaufbahn geschleudert, der dann zum Mond verschmolz. Der Einschlag war wahrscheinlich der letzte in der Reihe von Verschmelzungen, die die Erde bildeten. Es wurde außerdem die Hypothese aufgestellt, dass sich das marsgroße Objekt an einem der stabilen Lagrange-Punkte Erde-Sonne (entweder L 4 oder L 5 ) gebildet und von seiner Position abgedriftet haben könnte. Auch die Monde der transneptunischen Objekte Pluto ( Charon ) und Orcus ( Vanth ) könnten durch eine große Kollision entstanden sein: Die Systeme Pluto-Charon, Orcus-Vanth und Erde-Mond sind im Sonnensystem insofern ungewöhnlich, als die Die Masse beträgt mindestens 1% der des größeren Körpers.

Zukunft

Astronomen schätzen , dass der aktuelle Zustand des Sonnensystems wird nicht drastisch ändern , bis die Sonne fast den ganzen Wasserstoff als Kraftstoff in seinem Kern zu Helium verschmolzen hat, beginnt seine Entwicklung von der Hauptreihe des Diagramm Hertzsprung-Russell und in seine roten Riesen Phase . Bis dahin wird sich das Sonnensystem weiterentwickeln. Irgendwann wird sich die Sonne wahrscheinlich ausreichend ausdehnen, um die inneren Planeten (Merkur, Venus, möglicherweise Erde) zu überwältigen, aber nicht die äußeren Planeten, einschließlich Jupiter und Saturn. Danach würde die Sonne auf die Größe eines Weißen Zwergs verkleinert , und die äußeren Planeten und ihre Monde würden diesen winzigen Sonnenüberrest weiterhin umkreisen. Diese zukünftige Entwicklung könnte der beobachteten Entdeckung von MOA-2010-BLG-477L b ähneln , einem jupitergroßen Exoplaneten, der seinen Wirtsstern MOA-2010-BLG-477L umkreist .

Langzeitstabilität

Das Sonnensystem ist auf Zeitskalen von Millionen und Milliarden Jahren chaotisch , wobei die Umlaufbahnen der Planeten langfristigen Schwankungen unterliegen . Ein bemerkenswertes Beispiel für dieses Chaos ist das Neptun-Pluto-System, das in einer 3:2- Orbitalresonanz liegt . Obwohl die Resonanz selbst stabil bleiben wird, wird es unmöglich, die Position von Pluto in mehr als 10–20 Millionen Jahren ( Lyapunov-Zeit ) in der Zukunft mit irgendeiner Genauigkeit vorherzusagen . Ein weiteres Beispiel ist die axiale Neigung der Erde , die aufgrund von Reibung im Erdmantel durch Gezeitenwechselwirkungen mit dem Mond ( siehe unten ) ab einem Zeitpunkt zwischen 1,5 und 4,5 Milliarden Jahren unberechenbar ist.

Die Umlaufbahnen der äußeren Planeten sind über längere Zeiträume chaotisch, mit einer Lyapunov-Zeit im Bereich von 2 bis 230 Millionen Jahren. In allen Fällen bedeutet dies, dass die Position eines Planeten auf seiner Umlaufbahn letztendlich nicht mehr mit Sicherheit vorhergesagt werden kann (so wird beispielsweise der Zeitpunkt von Winter und Sommer ungewiss), aber in einigen Fällen können sich die Umlaufbahnen selbst dramatisch ändern. Ein solches Chaos manifestiert sich am stärksten als Veränderungen der Exzentrizität , wobei die Umlaufbahnen einiger Planeten deutlich mehr – oder weniger – elliptisch werden .

Letztendlich ist das Sonnensystem insofern stabil, als wahrscheinlich keiner der Planeten in den nächsten Milliarden Jahren miteinander kollidieren oder aus dem System herausgeschleudert wird. Darüber hinaus kann die Exzentrizität des Mars innerhalb von etwa fünf Milliarden Jahren auf etwa 0,2 anwachsen, so dass er auf einer erddurchquerenden Umlaufbahn liegt, was zu einer möglichen Kollision führt. Im gleichen Zeitraum könnte die Exzentrizität des Merkur noch weiter zunehmen, und eine enge Begegnung mit der Venus könnte ihn theoretisch ganz aus dem Sonnensystem werfen oder auf Kollisionskurs mit Venus oder Erde schicken . Dies könnte laut numerischen Simulationen, bei denen die Umlaufbahn des Merkur gestört ist, innerhalb einer Milliarde Jahren passieren.

Mond-Ring-Systeme

Die Entwicklung der Mondsysteme wird von Gezeitenkräften angetrieben . Ein Mond wird eine Gezeitenwölbung in dem Objekt, das er umkreist (dem Primärteil) aufgrund der unterschiedlichen Gravitationskraft über den Durchmesser des Primärteils anheben . Wenn sich ein Mond in die gleiche Richtung wie die Rotation des Planeten dreht und der Planet schneller als die Umlaufzeit des Mondes rotiert, wird die Ausbuchtung ständig vor den Mond gezogen. In dieser Situation wird Drehimpuls von der Rotation des Primärteils auf die Rotation des Satelliten übertragen. Der Mond gewinnt an Energie und dreht sich allmählich nach außen, während sich der Primärmond im Laufe der Zeit langsamer dreht.

Die Erde und ihr Mond sind ein Beispiel für diese Konfiguration. Heute ist der Mond durch Gezeiten mit der Erde verbunden; eine seiner Umdrehungen um die Erde (derzeit etwa 29 Tage) entspricht einer seiner Rotationen um seine Achse, so dass er der Erde immer ein Gesicht zeigt. Der Mond wird sich weiterhin von der Erde entfernen und die Drehung der Erde wird sich weiterhin allmählich verlangsamen. Andere Beispiele sind die Galileischen Monde des Jupiter (sowie viele der kleineren Monde des Jupiter) und die meisten der größeren Monde des Saturn .

Neptun und sein Mond Triton , aufgenommen von Voyager 2 . Tritons Umlaufbahn wird es schließlich innerhalb der Roche-Grenze von Neptun bringen , es auseinanderreißen und möglicherweise ein neues Ringsystem bilden.

Ein anderes Szenario tritt ein, wenn sich der Mond entweder schneller um das Primärelement dreht als das Primärelement rotiert oder sich in die entgegengesetzte Richtung zur Rotation des Planeten dreht. In diesen Fällen hinkt die Gezeitenwölbung dem Mond in seiner Umlaufbahn hinterher. Im ersteren Fall wird die Richtung der Drehimpulsübertragung umgekehrt, so dass die Rotation des Primärteils beschleunigt wird, während die Umlaufbahn des Satelliten schrumpft. Im letzteren Fall haben die Drehimpulse der Drehung und der Umdrehung entgegengesetzte Vorzeichen, so dass die Übertragung zu einer Abnahme in der Größe beider führt (die sich gegenseitig aufheben). In beiden Fällen führt die Gezeitenverzögerung dazu, dass sich der Mond in Richtung des Primärmonds dreht, bis er entweder durch Gezeitenspannungen zerrissen wird, wodurch möglicherweise ein planetarisches Ringsystem entsteht, oder auf die Oberfläche oder Atmosphäre des Planeten stürzt. Ein solches Schicksal erwartet die Monde Phobos von Mars (innerhalb von 30 bis 50 Millionen Jahren), Triton von Neptun (in 3,6 Milliarden Jahren) und mindestens 16 kleine Satelliten von Uranus und Neptun. Uranus Desdemona könnte sogar mit einem seiner Nachbarmonde kollidieren.

Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass der Primärmond und der Mond durch Gezeiten miteinander verbunden sind. In diesem Fall bleibt die Gezeitenwölbung direkt unter dem Mond, es findet keine Drehimpulsübertragung statt und die Umlaufzeit ändert sich nicht. Pluto und Charon sind ein Beispiel für diese Art von Konfiguration.

Über den Entstehungsmechanismus der Saturnringe besteht kein Konsens. Obwohl theoretische Modelle darauf hindeuteten, dass sich die Ringe wahrscheinlich zu einem frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Sonnensystems gebildet haben, deuten Daten der Raumsonde Cassini-Huygens darauf hin, dass sie sich relativ spät gebildet haben.

Die Sonne und planetare Umgebungen

Entstehung des Sonnensystems nach Gas- und Staubanlagerung zu einer protoplanetaren Scheibe.  Der überwiegende Teil dieses Materials wurde aus der Ur-Supernova erzeugt
Entstehung des Sonnensystems nach Gas- und Staubanlagerung zu einer protoplanetaren Scheibe. Der überwiegende Teil dieses Materials wurde aus der Ur- Supernova erzeugt

Langfristig werden die größten Veränderungen im Sonnensystem von Veränderungen der Sonne selbst kommen, wenn sie altert. Während die Sonne durch ihren Wasserstoff-Brennstoff verbrennt, wird sie heißer und verbrennt den verbleibenden Brennstoff noch schneller. Infolgedessen wird die Sonne alle 1,1 Milliarden Jahre um zehn Prozent heller. In etwa 600 Millionen Jahren wird die Helligkeit der Sonne den Kohlenstoffkreislauf der Erde so weit unterbrochen haben, dass Bäume und Wälder (C3-Photosynthese-Pflanzenleben) nicht mehr überleben können; und in etwa 800 Millionen Jahren wird die Sonne alles komplexe Leben auf der Erdoberfläche und in den Ozeanen getötet haben. In 1,1 Milliarden Jahren wird die erhöhte Strahlungsleistung der Sonne dazu führen, dass sich ihre zirkumstellare bewohnbare Zone nach außen bewegt, wodurch die Erdoberfläche zu heiß wird, um dort auf natürliche Weise flüssiges Wasser zu existieren. An diesem Punkt wird alles Leben auf einzellige Organismen reduziert. Die Verdunstung von Wasser, einem starken Treibhausgas , von der Oberfläche der Ozeane könnte den Temperaturanstieg beschleunigen und möglicherweise alles Leben auf der Erde noch früher beenden. Während dieser Zeit ist es möglich, dass, wenn die Oberflächentemperatur des Mars allmählich ansteigt, Kohlendioxid und Wasser, die derzeit unter dem Oberflächen- Regolith gefroren sind , in die Atmosphäre freigesetzt werden und einen Treibhauseffekt erzeugen , der den Planeten aufheizt, bis er heute erdgleiche Bedingungen erreicht , die eine potenzielle zukünftige Bleibe für das Leben bietet. In 3,5 Milliarden Jahren werden die Oberflächenbedingungen der Erde denen der heutigen Venus ähneln.

Relative Größe der Sonne in ihrer jetzigen Form (Einschub) im Vergleich zu ihrer geschätzten zukünftigen Größe als Roter Riese

In etwa 5,4 Milliarden Jahren wird der Kern der Sonne heiß genug, um die Wasserstofffusion in seiner umgebenden Hülle auszulösen. Dadurch dehnen sich die äußeren Schichten des Sterns stark aus und der Stern tritt in eine Phase seines Lebens ein, in der er als Roter Riese bezeichnet wird . Innerhalb von 7,5 Milliarden Jahren wird sich die Sonne auf einen Radius von 1,2 AE ausgedehnt haben – das 256-fache ihrer aktuellen Größe. An der Spitze des Rot-Riesen-Zweigs wird die Sonnenoberfläche aufgrund der stark vergrößerten Oberfläche viel kühler (ca. 2600 K) als jetzt und ihre Leuchtkraft viel höher sein – bis zu 2.700 aktuelle Sonnenleuchtstärken. Für einen Teil ihres Lebens als Roter Riesen wird die Sonne einen starken Sternwind haben , der etwa 33% ihrer Masse wegträgt. Während dieser Zeiten ist es möglich, dass Saturns Mond Titan die Oberflächentemperaturen erreicht, die für das Leben notwendig sind.

Wenn sich die Sonne ausdehnt, wird sie die Planeten Merkur und Venus verschlucken . Das Schicksal der Erde ist weniger klar; obwohl die Sonne die gegenwärtige Umlaufbahn der Erde einschließen wird, wird der Masseverlust des Sterns (und damit die schwächere Schwerkraft) dazu führen, dass sich die Umlaufbahnen der Planeten weiter nach außen bewegen. Wenn dies nur der Fall wäre, würden Venus und Erde wahrscheinlich der Verbrennung entgehen, aber eine Studie aus dem Jahr 2008 legt nahe, dass die Erde wahrscheinlich als Folge der Gezeitenwechselwirkungen mit der schwach gebundenen äußeren Hülle der Sonne verschluckt wird .

Nach der Expansionsphase wird sich die bewohnbare Zone tiefer in das äußere Sonnensystem und den Kuipergürtel verlagern. Dies bedeutet, dass die Oberflächentemperaturen auf Pluto und Charon hoch genug sind, damit Wassereis zu Dampf sublimieren kann. Die Oberflächentemperaturen auf Pluto und Charon würden 0°C betragen. (Wassereis sublimiert bei niedrigerem atmosphärischem Druck). Zu diesem Zeitpunkt hätte Pluto durch Sublimation bereits seine Methanhülle verloren. Aber Pluto wird zu klein sein und es fehlt ein Magnetfeld, um zu verhindern, dass hochenergetische Ionen auf seine Atmosphäre treffen, um eine dicke Atmosphäre aufrechterhalten zu können, da die Sonnenaktivität drastisch zunehmen würde, wenn die Sonne stirbt. Pluto und Charon werden ihre diffuse Wasseratmosphäre in den Weltraum verlieren und einen freigelegten felsigen Kern hinterlassen. Beide verlieren dadurch 30-40% ihrer Masse.

Allmählich wird der Wasserstoff, der in der Hülle um den Sonnenkern brennt, die Masse des Kerns erhöhen, bis er etwa 45% der gegenwärtigen Sonnenmasse erreicht. An diesem Punkt werden Dichte und Temperatur so hoch, dass die Verschmelzung von Helium zu Kohlenstoff beginnt, was zu einem Heliumblitz führt ; die Sonne schrumpft von etwa dem 250- auf das 11-fache ihres gegenwärtigen (Hauptreihen-)Radius. Folglich wird ihre Leuchtkraft von etwa 3.000 auf das 54-fache ihres derzeitigen Niveaus abnehmen und ihre Oberflächentemperatur wird auf etwa 4770 K ansteigen. Die Sonne wird ein horizontaler Riese , der in seinem Kern Helium auf stabile Weise verbrennt, ähnlich wie sie heute Wasserstoff verbrennt . Die Heliumschmelzphase wird nur 100 Millionen Jahre dauern. Schließlich muss er wieder auf die Reserven an Wasserstoff und Helium in seinen äußeren Schichten zurückgreifen und expandiert ein zweites Mal zu einem sogenannten asymptotischen Riesen . Hier nimmt die Leuchtkraft der Sonne wieder zu, erreicht etwa 2.090 heutige Leuchtstärken und kühlt sich auf etwa 3500 K ab. Diese Phase dauert etwa 30 Millionen Jahre, danach werden im Laufe von weiteren 100.000 Jahren die restlichen äußeren Schichten der Sonne wird abfallen, einen riesigen Materiestrom in den Weltraum ausstoßen und einen Halo bilden, der (irreführend) als planetarischer Nebel bekannt ist . Das ausgestoßene Material wird Helium und Kohlenstoff enthalten, die durch die Kernreaktionen der Sonne erzeugt werden, und die Anreicherung des interstellaren Mediums mit schweren Elementen für zukünftige Sternengenerationen fortsetzt.

Der Ringnebel , ein planetarischer Nebel ähnlich dem, was die Sonne werden wird

Dies ist ein relativ friedliches Ereignis, das nichts mit einer Supernova zu tun hat, für die die Sonne im Rahmen ihrer Evolution zu klein ist. Jeder Beobachter, der dieses Ereignis miterlebt, würde eine massive Zunahme der Geschwindigkeit des Sonnenwinds feststellen, aber nicht genug, um einen Planeten vollständig zu zerstören. Der Masseverlust des Sterns könnte jedoch die Umlaufbahnen der überlebenden Planeten ins Chaos stürzen, wodurch einige kollidieren, andere aus dem Sonnensystem geschleudert und wieder andere durch Gezeitenwechselwirkungen auseinandergerissen werden. Von der Sonne bleibt dann nur noch ein Weißer Zwerg , ein außergewöhnlich dichtes Objekt, 54% seiner ursprünglichen Masse, aber nur die Größe der Erde. Anfangs könnte dieser Weiße Zwerg 100-mal so leuchtend sein wie die Sonne jetzt. Es wird vollständig aus entartetem Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen , aber niemals Temperaturen erreichen, die heiß genug sind, um diese Elemente zu verschmelzen. So kühlt die Weiße Zwergsonne allmählich ab und wird dunkler und dunkler.

Wenn die Sonne stirbt, wird ihre Anziehungskraft auf die umlaufenden Körper wie Planeten, Kometen und Asteroiden aufgrund ihres Massenverlusts schwächer. Die Umlaufbahnen aller verbleibenden Planeten werden sich ausdehnen; Wenn Venus, Erde und Mars noch existieren, werden ihre Umlaufbahnen ungefähr bei 1,4  AE (210.000.000  km ), 1,9  AE (280.000.000  km ) und 2,8  AE (420.000.000  km ) liegen. Sie und die anderen verbleibenden Planeten werden zu dunklen, eisigen Hulks, die jeglicher Form von Leben entbehren. Sie werden ihren Stern weiterhin umkreisen, ihre Geschwindigkeit wird aufgrund ihres größeren Abstands von der Sonne und der verringerten Schwerkraft der Sonne verlangsamt. Zwei Milliarden Jahre später, wenn sich die Sonne auf den Bereich von 6000 bis 8000 K abgekühlt hat, gefrieren Kohlenstoff und Sauerstoff im Kern der Sonne, wobei über 90 % ihrer verbleibenden Masse eine kristalline Struktur annehmen. Irgendwann, nach ungefähr 1 Billiarden Jahren, wird die Sonne schließlich ganz aufhören zu scheinen und ein schwarzer Zwerg zu werden .

Galaktische Interaktion

Lage des Sonnensystems in der Milchstraße

Das Sonnensystem reist allein durch die Milchstraße in einer kreisförmigen Umlaufbahn ungefähr 30.000 Lichtjahre vom Galaktischen Zentrum entfernt . Seine Geschwindigkeit beträgt etwa 220 km/s. Die Zeitspanne, die das Sonnensystem benötigt, um eine Umdrehung um das galaktische Zentrum, das galaktische Jahr , zu vollenden , liegt im Bereich von 220 bis 250 Millionen Jahren. Seit seiner Entstehung hat das Sonnensystem mindestens 20 solcher Umdrehungen hinter sich.

Verschiedene Wissenschaftler haben spekuliert, dass der Weg des Sonnensystems durch die Galaxie ein Faktor für die Periodizität von Massenaussterben ist , die im Fossilienbestand der Erde beobachtet wurden . Eine Hypothese geht davon aus, dass vertikale Schwingungen der Sonne, wenn sie das Galaktische Zentrum umkreist, dazu führen, dass sie regelmäßig die galaktische Ebene durchquert. Wenn die Umlaufbahn der Sonne sie außerhalb der galaktischen Scheibe führt, ist der Einfluss der galaktischen Flut schwächer; beim Wiedereintritt in die galaktische Scheibe, wie es alle 20–25 Millionen Jahre der Fall ist, gerät es unter den Einfluss der viel stärkeren "Scheibenfluten", die nach mathematischen Modellen den Fluss von Oortschen Wolkenkometen in das Solare erhöhen System um den Faktor 4, was die Wahrscheinlichkeit verheerender Auswirkungen massiv erhöht.

Andere argumentieren jedoch, dass sich die Sonne derzeit in der Nähe der galaktischen Ebene befindet und dennoch das letzte große Aussterben vor 15 Millionen Jahren stattgefunden hat. Daher kann die vertikale Position der Sonne solche periodischen Auslöschungen nicht allein erklären, und diese Auslöschungen treten stattdessen auf, wenn die Sonne die Spiralarme der Galaxie durchquert . Spiralarme beherbergen nicht nur eine größere Anzahl von Molekülwolken, deren Schwerkraft die Oortsche Wolke verzerren kann, sondern auch eine höhere Konzentration von hellblauen Riesen , die relativ kurz leben und dann als Supernovae heftig explodieren .

Galaktische Kollision und planetarische Störung

Obwohl sich die überwiegende Mehrheit der Galaxien im Universum von der Milchstraße entfernt, bewegt sich die Andromeda-Galaxie, das größte Mitglied der Lokalen Gruppe von Galaxien, mit etwa 120 km/s auf sie zu. In 4 Milliarden Jahren werden Andromeda und die Milchstraße kollidieren, wodurch sich beide verformen, da die Gezeitenkräfte ihre äußeren Arme zu riesigen Gezeitenschwänzen verformen . Wenn diese anfängliche Störung auftritt, berechnen Astronomen eine Chance von 12%, dass das Sonnensystem nach außen in den Gezeitenschweif der Milchstraße gezogen wird, und eine Chance von 3%, dass es gravitativ an Andromeda und damit ein Teil dieser Galaxie gebunden wird. Nach einer weiteren Serie von Streifschlägen, bei denen die Wahrscheinlichkeit des Auswurfs des Sonnensystems auf 30% steigt, werden die supermassereichen Schwarzen Löcher der Galaxien verschmelzen. Schließlich, in ungefähr 6 Milliarden Jahren, werden die Milchstraße und Andromeda ihre Verschmelzung zu einer riesigen elliptischen Galaxie vollenden . Wenn während der Verschmelzung genügend Gas vorhanden ist, wird das Gas durch die erhöhte Schwerkraft in das Zentrum der sich bildenden elliptischen Galaxie gezwungen. Dies kann zu einer kurzen Periode intensiver Sternentstehung führen, die als Starburst bezeichnet wird . Darüber hinaus speist das einfallende Gas das neu gebildete Schwarze Loch und verwandelt es in einen aktiven galaktischen Kern . Die Kraft dieser Wechselwirkungen wird das Sonnensystem wahrscheinlich in den äußeren Halo der neuen Galaxie drängen und es von der Strahlung dieser Kollisionen relativ unbeschadet lassen.

Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass diese Kollision die Umlaufbahnen der Planeten im Sonnensystem stört. Obwohl es wahr ist, dass die Schwerkraft vorbeiziehender Sterne Planeten in den interstellaren Raum lösen kann, sind die Entfernungen zwischen den Sternen so groß, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Milchstraße-Andromeda-Kollision eine solche Störung jedes einzelnen Sternensystems verursacht, vernachlässigbar ist. Obwohl das Sonnensystem als Ganzes von diesen Ereignissen betroffen sein könnte, wird nicht erwartet, dass die Sonne und die Planeten gestört werden.

Mit der Zeit steigt jedoch die kumulative Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Begegnung mit einem Stern, und die Zerstörung der Planeten wird fast unvermeidlich. Unter der Annahme, dass die Szenarien Big Crunch oder Big Rip für das Ende des Universums nicht eintreten, deuten Berechnungen darauf hin, dass die Schwerkraft vorbeiziehender Sterne die tote Sonne innerhalb von 1 Billiarde (10 15 ) Jahren vollständig von ihren restlichen Planeten beraubt haben wird . Dieser Punkt markiert das Ende des Sonnensystems. Obwohl die Sonne und die Planeten überleben können, wird das Sonnensystem in jedem sinnvollen Sinne aufhören zu existieren.

Chronologie

Projizierte Zeitleiste des Lebens der Sonne.  Von der Gründung bis 14Gy

Der Zeitrahmen der Entstehung des Sonnensystems wurde durch radiometrische Datierung bestimmt . Wissenschaftler schätzen, dass das Sonnensystem 4,6 Milliarden Jahre alt ist. Die ältesten bekannten Mineralkörner auf der Erde sind rund 4,4 Milliarden Jahre alt. So alte Gesteine ​​sind selten, da die Erdoberfläche ständig durch Erosion , Vulkanismus und Plattentektonik umgestaltet wird . Um das Alter des Sonnensystems abzuschätzen, verwenden Wissenschaftler Meteoriten , die während der frühen Kondensation des Sonnennebels entstanden sind. Fast alle Meteoriten (siehe Canyon Diablo-Meteorit ) haben ein Alter von 4,6 Milliarden Jahren, was darauf hindeutet, dass das Sonnensystem mindestens so alt sein muss.

Studien an Scheiben um andere Sterne haben ebenfalls viel dazu beigetragen, einen Zeitrahmen für die Entstehung des Sonnensystems zu bestimmen. Sterne zwischen einer und drei Millionen Jahren haben gasreiche Scheiben, während Scheiben um Sterne, die mehr als 10 Millionen Jahre alt sind, wenig bis gar kein Gas haben, was darauf hindeutet, dass sich in ihnen keine Riesenplaneten mehr gebildet haben.

Zeitleiste der Entwicklung des Sonnensystems

Externe Zeitleiste Eine grafische Zeitleiste finden Sie unter
Grafische Zeitleiste von Erde und Sonne

Hinweis: Alle Daten und Uhrzeiten in dieser Chronologie sind ungefähre Angaben und sollten nur als Anhaltspunkt für die Größenordnung angesehen werden.

Chronologie der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems
Phase Zeit seit Entstehung der Sonne Zeit ab Gegenwart (ungefähr) Vorfall
Pre-Solar-System Milliarden Jahre vor der Entstehung des Sonnensystems Vor über 4,6  Milliarden Jahren (bya) Frühere Generationen von Sternen leben und sterben und injizieren schwere Elemente in das interstellare Medium , aus dem sich das Sonnensystem gebildet hat.
~ 50 Millionen Jahre vor der Entstehung des Sonnensystems 4.6  bya Wenn sich das Sonnensystem in einer Orionnebel- ähnlichen Sternentstehungsregion bildet, werden die massereichsten Sterne gebildet, leben ihr Leben, sterben und explodieren in Supernovae. Eine bestimmte Supernova, die als Ur-Supernova bezeichnet wird , löst möglicherweise die Bildung des Sonnensystems aus.
Bildung der Sonne 0–100.000 Jahre 4.6  bya Ein präsolarer Nebel bildet sich und beginnt zu kollabieren. Sonne beginnt sich zu bilden.
100.000 – 50 Millionen Jahre 4.6  bya Sun ist ein T Tauri Protostar .
100.000 – 10 Millionen Jahre 4.6  bya Vor 10 Millionen Jahren ist das Gas in der protoplanetaren Scheibe weggeblasen und die Bildung des äußeren Planeten ist wahrscheinlich abgeschlossen.
10 Millionen – 100 Millionen Jahre 4,5–4,6  bya Terrestrische Planeten und der Mond bilden sich. Rieseneinschläge treten auf. Wasser zur Erde geliefert.
Hauptfolge 50 Millionen Jahre 4.5  bya Sonne wird zum Hauptreihenstern.
200 Millionen Jahre 4.4  bya Älteste bekannte Gesteine der Erde entstanden.
500 Millionen – 600 Millionen Jahre 4,0–4,1  bya Resonanz in den Bahnen von Jupiter und Saturn bewegt Neptun in den Kuipergürtel. Spätes schweres Bombardement findet im inneren Sonnensystem statt.
800 Millionen Jahre 3.8  bya Ältestes bekanntes Leben auf der Erde. Oort-Wolke erreicht maximale Masse.
4,6 Milliarden Jahre Heute Sonne bleibt ein Hauptreihenstern.
6 Milliarden Jahre 1,4 Milliarden Jahre in der Zukunft Die bewohnbare Zone der Sonne bewegt sich außerhalb der Erdumlaufbahn und verschiebt sich möglicherweise auf die Umlaufbahn des Mars.
7 Milliarden Jahre 2,4 Milliarden Jahre in der Zukunft Die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie beginnen zu kollidieren . Geringe Chance, dass das Sonnensystem von Andromeda eingefangen werden könnte, bevor die beiden Galaxien vollständig verschmelzen.
Nach-Hauptsequenz 10 Milliarden – 12 Milliarden Jahre 5–7 Milliarden Jahre in der Zukunft Die Sonne hat den gesamten Wasserstoff im Kern verschmolzen und beginnt, Wasserstoff in einer Hülle zu verbrennen, die ihren Kern umgibt, wodurch ihr Hauptreihenleben beendet wird. Die Sonne beginnt den Rot-Riesen-Zweig des Hertzsprung-Russell-Diagramms aufzusteigen und wird dramatisch leuchtender (um einen Faktor von bis zu 2.700), größer (um einen Faktor von bis zu 250 im Radius) und kühler (bis zu 2600 K .). ): Sonne ist jetzt ein roter Riese . Merkur, Venus und möglicherweise die Erde werden verschluckt. Während dieser Zeit kann der Saturnmond Titan bewohnbar werden.
~ 12 Milliarden Jahre ~ 7 Milliarden Jahre in der Zukunft Die Sonne durchläuft heliumverbrennende horizontale und asymptotische Riesenzweigphasen und verliert in allen Phasen nach der Hauptsequenz insgesamt ~30% ihrer Masse. Die asymptotische Riesenzweigphase endet mit dem Auswurf seiner äußeren Schichten als planetarischer Nebel und hinterlässt den dichten Kern der Sonne als Weißer Zwerg .
Restsonne ~ 1 Billiarde Jahre (10 15 Jahre) ~ 1 Billiarde Jahre in der Zukunft Die Sonne kühlt auf 5 K ab. Die Schwerkraft vorbeiziehender Sterne löst Planeten aus ihren Umlaufbahnen. Sonnensystem hört auf zu existieren.

Siehe auch

  • Akkretion  – Ansammlung von Partikeln in einem massiven Objekt durch gravitative Anziehung von mehr Materie
  • Alter der Erde
  • Urknall  – Kosmologisches Modell
  • Chronologie des Universums  – Geschichte und Zukunft des Universums
  • Zirkumplanetare Scheibe  – Ansammlung von Materie um einen Planeten
  • Kosmologie  – Wissenschaftliche Untersuchung des Ursprungs, der Evolution und des späteren Schicksals des Universums
  • Zukunft der Erde  – Langfristige extrapolierte geologische und biologische Veränderungen
  • Galaxienentstehung und -entwicklung  – von einem homogenen Anfang, der Entstehung der ersten Galaxien, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit verändern
  • Erdgeschichte  – Entwicklung des Planeten Erde von seiner Entstehung bis heute
  • Skalenhöhe
  • Weltraum und Überleben  – Idee, dass die langfristige Präsenz der menschlichen Präsenz im Universum eine Weltraum-Zivilisation erfordert
  • Sternentwicklung  - Änderungen an einem Stern über seine Lebensdauer
  • Strukturbildung  – Bildung von Galaxien, Galaxienhaufen und größeren Strukturen aus kleinen frühen Dichtefluktuationen
  • Gezeitensperre  – Situation, in der die Umlaufzeit eines astronomischen Objekts seiner Rotationsperiode entspricht
  • Zeitleiste der fernen Zukunft  – Wissenschaftliche Projektionen zur fernen Zukunft

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links