Am 22. Januar 2025 gaben Astrophysiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) bedeutende Erkenntnisse zur Planetenentstehung bekannt. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher, dass Planeten durch die Akkretion von Staub und Gestein in protoplanetaren Scheiben um junge Sterne entstehen. Diese Prozesse wurden mithilfe von Experimenten in einer Forschungsrakete untersucht, die speziell für die Analyse von Kollisionsgeschwindigkeiten und der elektrischen Ladung von Partikeln konzipiert wurde.
Die Ergebnisse der UDE-Forschung sind umfassend: Die protoplanetare Scheibe besteht zu 99 % aus Gas und nur zu 1 % aus Staub. Die Untersuchungen zeigten, dass Staubpartikel durch Kollisionen zu Agglomeraten zusammengefügt werden, die wiederum zu Planetesimalen – festen Körpern mit einem Durchmesser von 1 bis 100 km – kollabieren. Diese Planetesimale können durch Gravitation weiter Materialien anziehen und zu Protoplaneten wachsen. Ein zentrales Ergebnis ist, dass Staubkörner ab einer Größe von etwa 1 mm häufig nicht weiter wachsen, da sie bei Kollisionen miteinander zerbrechen oder abprallen.
Experimente in der Schwerelosigkeit
Die Durchführung der aktuellen Experimente auf einer ESA-Forschungsrakete in 270 km Höhe ermöglichte den Wissenschaftlern eine Messzeit von 6 Minuten in Schwerelosigkeit. Vorherige Forschungen in Falltürmen waren auf 9 Sekunden beschränkt. In diesen neuen Experimenten beobachteten die Forscher das Wachstum von Agglomeraten mit einem Durchmesser von etwa 3 cm. Die Studie identifizierte eine maximale Kollisionsgeschwindigkeit von 0,5 m/s, die überschritten werden muss, um Erosion der Agglomerate zu vermeiden. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der physikalischen Bedingungen dar, unter denen Planeten entstehen können.
Zusätzlich belegten numerische Simulationen eine starke elektrostatische Aufladung, die sich durch Kollisionen ergibt. Diese Erkenntnisse unterstützen die bestehenden physikalischen Modelle zu protoplanetaren Scheiben und dem Wachstum von Partikeln. Die Forschung wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klima gefördert, was die Wichtigkeit der Ergebnisse unterstreicht.
Frühere Forschungen und Erkenntnisse
Ergänzend zu den UDE-Erkenntnissen beschäftigt sich auch das ERC-Projekt DUSTPRINTS, geleitet von Til Birnstiel, mit der frühen Planetenentstehung. Seit der Auszeichnung mit einem ERC Starting Grant im Jahr 2017 konnte die Arbeitsgruppe Forschungsgelder in Höhe von rund 1,5 Millionen Euro akquirieren. Ziel dieses Projekts ist es, die Bausteine der Planeten sowie die Mechanismen, die Substrukturen in planetenbildenden Scheiben verursachen, zu untersuchen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass hinter den meisten beobachteten Strukturen vermutlich Planeten stecken. Die Eigenschaften der beobachteten Ringe deuten darauf hin, dass in diesen Regionen Asteroiden- und Kometen-große Planetesimale entstehen. Im Rahmen des DUSTPRINTS-Projekts wurden bereits 71 Fachartikel veröffentlicht, die bis 2023 insgesamt 4700 Zitationen erhielten.
Zusätzlich wird am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der Technischen Universität Braunschweig die physikalischen Eigenschaften von Staubpartikeln in Dunkelwolken wie der Bok-Globule Barnard 68 untersucht, die zur Entstehung von Sternen führen können. Dort werden auch protoplanetare Scheiben studiert, die mit dem Hubble Space Telescope entdeckt wurden. Diese Struktur war auch die Wiege unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren.
Insgesamt verdeutlichen die aktuellen Forschungsergebnisse das komplexe Zusammenspiel von physikalischen und chemischen Prozessen, die zur Entstehung von Planeten führen. Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für das Wissen über das Universum und die Bildung von Planetensystemen.
Mehr über die Erkenntnisse der UDE erfahren Sie auf uni-due.de. Weitere Informationen zum DUSTPRINTS-Projekt finden Sie auf physik.lmu.de, während das Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik ausführliche Forschungsergebnisse auf tu-braunschweig.de bereitstellt.