Entstehung und Entdeckung von Planeten

Mein Ziel ist es heraus zu finden, wie Planeten entstehen. Ich begab mich dafür auf die Suche in der Literatur und im Internet. Dabei bin ich auf viele Theorien gestossen. Offenbar sind viele Einzelheiten der Planetenentstehung noch nicht bekannt.

Was ist ein Planet?

Erst wollte ich klären was ein Planet eigentlich ist.
Wie wir alle wissen, ist die Erde ein Planet. Doch was macht sie zu einem Planeten? Worin liegt der Unterschied zwischen ihr und dem Mond? Worin unterscheiden sich Mars und Jupiter?

Planeten werden in verschiedene Arten eingeteilt. Es gibt steinige Planeten (z.B. Erde, Merkur, Mars) und riesige Gasplaneten. Jupiter zum Beispiel ist ein Riesenplanet, da er überdurchschnittlich gross ist. Zu den Riesenplaneten gehören neben Jupiter auch Saturn, Uranus und Neptun.

Die Planeten unseres Sonnensystems. Beachte die Grössenunterschiede. Einige Jupitermonde sind ähnlich gross wie Mars. (Bild aus Webseite mit Daten zu Planeten). Für weitere Bilder der Planeten siehe Bildergalarie der NASA

Ein Mond ist ein Objekt, das sich um einen Planeten bewegt. Monde kann man aber nach ihrer Grösse nicht von Planeten unterscheiden. Zum Beispiel der Mond Charon mit einem Radius von 585 km ist halb so gross als sein Planet Pluto mit 1150 km Radius. Und der Jupitermond Io ist mit 3643 km grösser als Mars mit 3399 km. Zu allen Planeten siehe die deutsche Fassung der Datei des Lunar & Planetary Lab in Arizona.

Planeten besitzen keine eigene Energiequelle. Sie reflektieren das Licht ihres Sterns und werden somit für uns sichtbar. Ein Stern (wie die Sonne) produziert die eigene Energie aus Kernfusion.

Ausserhalb der Plutobahn befindet sich eine Vielzahl von kleinen Bruchstücken oder vielleicht auch Planetoiden, der sogenannte Kuiper-Gürtel (siehe Bild). Eine Ansammlung von Kometen, die Oortsche Wolke, gibt es jenseits der äusseren Planetenbahnen.

Der Kuiper-Gürtel befindet sich ausserhalb der Planetenbahnen. Er erstreckt sich von der Sonne aus gesehen von 30 bis mehreren 100 AE (Astronomische Einheiten).
Die Oortsche Wolke voller Kometen umschliesst wie eine kugelfömige Hülle das Sonnensystem. Der mittlere Radius der Oortschen Wolke soll rund 50 000 AE betragen.

Die Zeichnung rechts ist nicht masstabsgetreu!
(Bild aus Sterne und Weltraum Sonderheft 7)

Eine astronomische Einheit (AE) = 1 Erdbahnradius = 150 Millionen km. Pluto hat eine Entfernung von der Sonne von etwa 40 AU.

Theorien zu der Entstehung von Planeten

Durch Stösse ballen sich die mikroskopischen Staubkörner, die auch Planetesimale genannt werden, zusammen. Diese Brocken verbinden sich und werden so zu den Bausteinen des Planetenkerns.

Die Gashülle eines Planeten entsteht, wenn der Kern 10 Erdmassen übersteigt. Der Planet kann das ihn umgebende Gas dann einsammeln und gravitativ festhalten.

Kommt es bei jedem Stern zur Planetenbildung?
Meist wird das Gas und der Staub der proto-stellaren Wolke in den Stern aufgenommen. Gas und Staub können aber auch vom jungen Stern ins All geblasen werden. Auch gelingt Planetenbildung nicht, wenn der Planet die kräftige heisse Strahlung in der Entstehungsphase seines jungen Zentralgestirns nicht übersteht. Denn es kann dazu kommen, dass die Strahlung des Sterns oder heller Nachbarsterne die Gase wieder zerstreuen.

Eine andere Theorie ergänzt, dass bei dem Entstehen von Planeten elektrostatische Kräfte mit wirken sollen. Dadurch würden Staubteilchen schneller verkleben und damit wäre die rasche Zusammenballung der Planetesimale erklärbar.

Nachweis von Planeten bei Sternen

Neue Planeten werden sehr selten entdeckt. Sie sind nicht direkt zu sehen, da sie von der Helligkeit ihres Muttersterns überstrahlt werden. Der Nachweis von solchen sogenannten Exoplaneten gelingt nur indirekt.

Planeten bewegen sich um Sterne, so wie sich die Planeten unseres Sonnensystems um die Sonne bewegen. Diese Bewegung von Planet und Stern ist eine um den gemeinsamen Massenmittelpunkt.

Sehen wir ein Planetensystem von der Seite, dann bewegt sich der Stern in Folge dessen auf uns zu und von uns weg. Wenn auf uns zu, dann erscheinen die in diesem Moment ausgesandten Lichtwellen im Spektrum zusammengestaucht und somit blauer. Wenn der Stern sich wieder entfernt, werden die Lichtwellen auseinandergezogen und damit röter. Dies ist der Dopplereffekt. Die Verschiebung der Spektrallinien versucht man aufzuspüren. Falls es sie gibt, so schliesst man auf das Vorhandensein eines Planeten. Da diese Geschwindigkeitsänderungen nicht sehr gross sind, sind Planeten kaum aufzufinden. In den letzten Jahren hat man dennoch bei etwa zwei Dutzend Sternen Planeten entdeckt.

Eine andere Methode ist es festzustellen, ob ein Stern am Himmel kleine Positionsschwankungen hat. Wenn ja, dann sieht man offenbar fast von oben auf ein Planetensystem und sieht die "Wackelei" eines Sterns um den Massenmittelpunkt des Planetensystems von oben. Dies ist die "astrometrische" Methode.

Bei welchen Sternen kann man Planeten vermuten?
Zum ersten sollte der Stern nicht zu leuchtkräftig sein, da sonst die Entstehung der Planeten erschwert wäre. Des weiteren soll der Stern bevorzugt alleine sein. Aber auch Doppelsterne können Planeten haben.

Bei vielen Sternen werden auf Grund der Bewegung des Zentralsterns Planeten vermutet. Aus Modellrechnungen findet man dann die Bahnen der Planeten und auch deren Massen.
Die Figur zeigt unser Sonnensystem, mit der Sonne in der Mitte und mit den Bahnen einiger Planeten. Für jeden der bis Mitte 2000 entdeckten Exoplaneten gibt es in der Figur ein Symbol. Durch die Platzierung der Symbole in bestimmter Entfernung vom Mittelpunkt wird die Grösse der grossen Halbachsen der Bahnen angegeben. Die Form der Symbole gibt die Masse des Planeten an (die Einheit ist eine Jupitermasse), sowie die Exzentrizität der jeweiligen Bahn.

Bei einigen Sternen (siehe deren Namen) handelt es sich um Doppelsysteme, wobei einer der beiden Sterne einen Planeten hat. (Bild aus Sterne und Weltraum, 1/2001)

Bilder von entstehenden Planeten

Nein, es ist nicht möglich sie durch ein Teleskop zu sehen, weil sie zu weit von uns entfernt sind. Aber mit der Doppler-Verschiebung wäre es möglich, die Planeten auf die angegebene Art indirekt nachzuweisen.

Man kann aber den jungen Stern und die protoplanetare Scheibe erkennen. Eine derartige Scheibe enthält viel Staub und wohl auch Planetesimale.

Ein junger Stern in Orion umgeben von einer Gas-Staubscheibe, in der sich wohl auch neue Planeten bilden. Die protoplanetare Scheibe ist fast genau von der Seite zu sehen. Die Scheibe schattet diffus leuchtendes Gas im Hintergrund (Bild links) ab. Der junge Stern wird auch von der Gasscheibe abgeschattet (Bild rechts).

Vergleiche die Grösse dieser Scheibe (siehe Skala: 500 AE) mit dem Ausmass des Kuipergürtels (siehe Bild weiter oben).

Ein zweiter junger Stern im Orion. Die protoplanetare Scheibe steht nahezu senkrecht zur Sichtlinie. Die Scheibe schattet diffus leuchtendes Gas im Hintergrund (Bild links) ab. Der Stern leuchtet bei dieser Wellenlänge nur schwach. In einer Breitbandmessung (Bild rechts) überstrahlt der Stern die ganze Scheibe.

(Beide Orion-Stern-Bilder sind von McCaughrean und O'Dell)