Universität Zürich erforscht Entstehung von Riesenplaneten

Es sind zwei anerkannte Theorien, durch die die Geburt von Riesenplaneten wie Jupiter oder Saturn in der Astronomie erklärt werden. Welcher Mechanismus findet jedoch tatsächlich statt? Diese Frage stellten sich auch die Schweizer Wissenschaftler Judit Szulágyi und Lucio Mayer, Professor an der Universität Zürich und stellten eine entsprechende Simulation der beiden Szenarien mit Hilfe des Supercomputers Piz Daint am Schweizer Supercomputerzentrum (CSCS) in Lugano.

«Wir gingen mit unseren Simulationen bis an die Grenze, was die Komplexität der Physik anbelangt, die wir für unsere Modelle verwendeten», erklärt Judit Szulágyi:  Dadurch wurde nach Darstellungen der Wissenschaftlerin die bislang höchste Auflösung erzielt. Zunächst zu den beiden Theorien: In der ersten Theorie erreicht ein sich bildender Kern, der zur zehnfachen Größe der Erde heranwächst, eine gewaltige Masse. Der Verdichtung gehen Kollisionen in der den jungen Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Staub vor. Das führt felsige und metallische Bestandteile zusammen. «Dann hat dieser Kern genügend Masse, um eine beträchtliche Menge Gas anzuziehen und zurückzuhalten», wie Judith Szulágyi, Astrophysikerin an der ETH Zürich und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS es erklärt.

In der zweiten Theorie kommt es durch die enorm dichte Materiescheibe um den jungen Stern zur Bildung von Spiralarmen. Die lokalen Instabilitäten in der Akkretionsscheibe lassen Gas und Staub ab einer bestimmten Dichte kollabieren. Die in den Spiralarmen enthaltenen Klumpen stürzen durch die Gravitation in sich zusammen und bilden im Zentrum der Wolkenstruktur den Kern der Gasplaneten. Um beide Gasplaneten bildet sich eine zirkumplanetare Scheibe, in der Monde geboren werden. Die Studie brachte einen großen Unterschied zwischen den Entstehungsmechanismen und damit auch einen möglichen Hinweis zur Grundfrage hervor: Während das Gas beim Szenario der Scheiben-Instabilität in der Planetennähe sehr kalt blieb, um 50 Kelvin, war die zirkumplanetare Scheibe im Fall der Kern-Akkretion auf mehrere hundert Kelvin aufgeheizt. Nach Mayer sind die Simulationen zur Scheiben-Instabilität jene ersten, welche die zirkumplanetare Scheibe um mehrfache Protoplaneten auflösen können.

Die Bestimmung des Entstehungsmechanismus erfolgt durch die Messung der Temperatur in der Nähe neu entstehender Planeten. Dem zufolge spricht der erste Vergleich berechneter und beobachteter Daten für die Kern-Akkretions-Theorie. Die Computersimulation beendete auch eine bis dahin bestandene Annahme, dass es einen Unterschied in der Masse der zirkumplanetaren Scheiben beider Szenarios gibt. «Wir zeigten, dass dies nicht stimmt», sagt Forscherin Szulágyi. Auch die Größe neugeborener Planeten sind nach Untersuchungen Szulágyi`s und Christoph Mordasini`s, Professor an der Universität Bern, aufgrund der sich auf der Scheibe bildenden, sogenannten leuchtenden Schockfront schwer einzuschätzen. Das Erscheinungsbild der Planeten wird demnach durch das von außen auf die Scheibe fallende aufgeheizte Gas verändert. Eine leuchtende Schockfront, die sich dadurch auf der oberen Schicht der Scheibe bildet, ist dafür verantwortlich. Dazu Szulágyi: «Wenn wir einen hellen Punkt innerhalb einer zirkumplanetaren Scheibe beobachten, wissen wir nicht, ob wir nur den Planeten leuchten sehen, oder auch die ihn umgebende Scheibe» Vielleicht, so die Vermutung der Wissenschaftlerin, habe ein beobachteter Planet lediglich so viel Masse wie Saturn, anstelle mehrerer Jupitermassen. Ihre Studie veröffentlichten die Forscher in der Zeitschrift «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society»