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Wie die Oortsche Wolke entstand

Astronomen rekonstruieren Bildung und Herkunft der äußeren Hülle des Sonnensystems

Oortsche Wolke
Die Oortsche Wolke umgibt unser Sonnensystem weit jenseits des Pluto und des Kuipergürtels – aber wie ist sie entstanden? © Pablo Carlos Budassi/CC-by-sa 4.0

Zeitreise in die Vergangenheit: Astronomen haben rekonstruiert, woher die eisigen Brocken der Oortschen Wolke stammen und wie sie in diese ferne Außenzone des Sonnensystems gelangten. Demnach stammt rund ein Drittel dieser Objekte von einstigen Geschwistersternen der jungen Sonne. Der große Rest ist jedoch solaren Ursprungs und wurde nach Trennung der Sonne von ihren Geschwistern in die Außenbereiche des Sonnensystems geschleudert.

Weit jenseits des Pluto und des Kuipergürtels ist das Sonnensystem von einer schalenförmigen Ansammlung eisiger Brocken umgeben, der Oortschen Wolke. Sie beginnt in mehr als der 10.000-fachen Sonne-Erde-Entfernung und könnte bis zu 1,6 Lichtjahre weit hinausreichen. Gängiger Theorie nach führen nahe Sternpassagen und andere Störeffekte dazu, dass immer wieder Brocken dieses Reservoirs aus ihrer Bahn geworfen werden und als langperiodische Kometen ins innere Sonnensystem gelangen.

Rückblick auf die ersten 100 Millionen Jahre

Doch wie die Oortsche Wolke entstand und woher ihre Objekte stammen, ist bislang rätselhaft. „Zwar wurden bisher einzelne Schritte der dazu existierenden Theorien getestet, aber nie die ganze chronologische Abfolge von Ereignissen“, erklären Simon Portegies Zwart vom Observatorium der Universität Leiden und seine Kollegen. Sie haben nun erstmals eine Reihe miteinander verknüpfter Simulationen durchgeführt, um die ersten 100 Millionen Jahre der Oortschen Wolke zu rekonstruieren.

„Unsere Simulationen beginnen mit der Geburt des Sonnensystems mit seinen Planeten und Asteroiden als Teil eines Sternenhaufens, der das galaktische Zentrum umkreist“, erklären die Astronomen. Denn ähnlich wie viele andere Sterne wurde auch die Sonne gemeinsam mit Geschwistern in einer Gaswolke gebildet. Erst danach drifteten die Jungsterne auseinander, die Sonne wanderte nach außen und wurde zum Einzelstern. „Wir folgen dann der weiteren Entwicklung des Sonnensystems, während es isoliert durch die Galaxie driftet“, so die Forscher.

Gedränge in der Sternenwiege

Die Simulation legt nahe, dass die Sonne ihren Sternenhaufen schon rund 20 bis 50 Millionen Jahre nach ihrer Bildung verließ – sonst hätten die Turbulenzen im dichten Sternengedränge ihre Planeten und Asteroiden zu stark gestört. Damals waren ihre Planeten bereits entstanden, aber noch von unzähligen übriggebliebenen Planetenbausteinen umgeben. Ein Teil dieser Asteroiden sammelte sich zwischen Mars und Jupiter, der Rest wurde durch den Einfluss der großen äußeren Planeten nach außen geschleudert.

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Diese Asteroiden entwickelten stark exzentrische und geneigte Bahnen und waren daher anfällig für Störeinflüsse von außen. Tatsächlich gingen mehr als die Hälfte der in dieser Frühzeit von Saturn und Jupiter hinausgeschleuderten Asteroiden verloren, wie die Astronomen erklären. Die Oortsche Wolke kann daher erst nach Trennung der Sonne von ihren Geschwistern entstanden sein. „Wäre dies früher geschehen, wären die äußeren Bereiche der Oortschen Wolke weggerissen worden“, so Zwart und sein Team.

Asteroidenorbit
Orbitentwicklung eines frühen Asteroiden, der durch Wechselwirkungen mit den großen Planeten nach außen geschleudert wird. Ein Großteil der Objekte in der Oortschen Wolke ist so entstanden.© Portegies Zwart et al.

Uranus und Neptun als Asteroidenschleudern

Im nächsten Schritt untersuchten die Forscher, durch welche Einflüsse die Oortsche Wolke ihre heutige Form bekam. Eine wichtige Rolle dafür spielten demnach die Eisplaneten Uranus und Neptun. Sie begannen erst nach Trennung der Sonne von ihrer Sternenwiege, die überzähligen Planetenbausteine in ihrer Umgebung weiter nach außen zu schleudern. Dort gerieten die Brocken unter den Einfluss galaktischer Strömungen, durch die ihre Orbits weniger exzentrisch, aber weiter wurden.

„Langsam, über eine Zeit von rund 100 Millionen Jahren hinweg, entwickelte sich dadurch eine Gruppe von Objekten mit sehr weiten, aber wenig exzentrischen Bahnen“, berichten Zwart und sein Team. Die Oortsche Wolke entstand. „Sie wurde demnach nicht durch einen einzigen, geradlinigen Prozess gebildet, sondern resultierte aus dem komplizierten Zusammenspiel der Sonne mit ihren Geschwistern, der Interaktion von Asteroiden mit Planeten und dem Einfluss des galaktischen Gezeitenfelds“, so die Astronomen. „Jeder dieser Schritte war wichtig und notwendig.“

Knapp ein Drittel stammt von fremden Sternen

Interessant auch: Nicht alle Objekte in der Oortschen Wolke stammen aus unserem eigenen Sonnensystem. Der Rekonstruktion nach sind rund 30 Prozent der Brocken extrasolaren Ursprungs – sie entstanden ursprünglich im Orbit eines der Geschwistersterne der Sonne. „Rund die Hälfte der inneren Oortschen Wolke zwischen 100 und 1.000 astronomischen Einheiten und rund ein Viertel des Materials jenseits dieses Bereichs wurden aus der zirkumstellaren Scheibe anderer Sterne oder zwischen diesen Sternen flottierenden Trümmern eingefangen“, berichten Zwart und sein Team.

Als die Sonne ihre Sternenwiege verließ, nahm sie diese „fremden“ Brocken mit. Als sich dann langsam die Oortsche Wolke bildete, wurden diese extrasolaren Objekte Teil der großen Ansammlung eisiger Brocken, die heute den Außenrand unseres Sonnensystems markieren. (Astronomy & Astrophysics, accepted; arXiv:2105.12816)

Quelle: Leiden Observatory

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