Die Entstehung des Planetensystems. Gliederung Charakteristisches Historischer Überblick über...

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Die Entstehung des Planetensystems

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Page 1: Die Entstehung des Planetensystems. Gliederung Charakteristisches Historischer Überblick über Vorstellung vom Sonnensystem Heutige Vorstellung: Von der.

Die Entstehung

des Planetensystems

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Gliederung

Charakteristisches

Historischer Überblick über Vorstellung vom Sonnensystem

Heutige Vorstellung:Von der Ur-Wolke zum fertigen Planetensystem

Eine etwas unbekanntere Theorie: Barnardscher Pfeilstern und Sonne entstanden als Doppelsystem (?)

Weitere Besonderheiten des Planetensystems

Woher kommt der Staub? Elementsynthese

Andere, inzwischen entdeckte Planetensysteme

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Beobachtete Eigenarten des Planetensystems

- nahezu kreisförmige Bahnen der Planeten um die Sonne

- alles etwa in gleicher Ebene

- Umläufe und Rotationen fast alle im gleichen Sinn (rechtsläufig)

- Rotationsachsen (Drehimpulsvektoren) der Planeten und Satellitensysteme etwa parallel zum Gesamtdrehimpuls

- Hauptanteil des Drehimpulses steckt in der Umlaufbewegung der Planeten um die Sonne, Eigendrehimpuls der Sonne: 0,54% des Gesamtdrehimpulses

- Masse dagegen größtenteils in der Sonne (99,87%)

- Abstandsgesetze der Planeten (Titius- Bodesche Reihe) (später)

-Innere Planeten: große Dichte, Metalle, Gesteine, langsame Rotation, kaum Monde

-Äußere Planeten: geringe Dichte, chem. wie Sonne, schnelle Rotation, viele Monde

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nach Gesetzen der Himmelsmechanikdenkbare Bahnen von Planeten um die Sonne

-Ellipsenbahnen gegeneinander geneigt

-Bahnen in Ebene, aber unterschiedl. Drehsinn

-Ebene und gleicher Umlaufsinn

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Beobachtete Eigenarten des Planetensystems

- nahezu kreisförmige Bahnen der Planeten um die Sonne

- alles etwa in gleicher Ebene

- Umläufe und Rotationen fast alle im gleichen Sinn (rechtsläufig)

- Rotationsachsen (Drehimpulsvektoren) der Planeten und Satellitensysteme etwa parallel zum Gesamtdrehimpuls

- Hauptanteil des Drehimpulses steckt in der Umlaufbewegung der Planeten um die Sonne, Eigendrehimpuls der Sonne: 0,54% des Gesamtdrehimpulses

- Masse dagegen größtenteils in der Sonne (99,87%)

- Abstandsgesetze der Planeten (Titius- Bodesche Reihe) (später)

-Innere Planeten: große Dichte, Si, N, O, Fe u. weitere Metalle, Gesteine, langsame Rotation, kaum Monde

-Äußere Planeten: geringe Dichte, chem. wie Sonne, schnelle Rotation, viele Monde

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Historische Vorstellungen

Gängige antike Weltbilder ( z.B. Ptolemäus)

Wendepunkt: Kopernikus (Sonne im Zentrum)

Kepler (Bewegungsgesetze)Newton (Gravitationsgesetz)

Aber wann tauchte zuerst Frage nach der Entstehung auf?

Mythologische Entstehungs- und Schöpfungsgeschichten(für Planetensystem interessant und rätselhaft: Sumerer, Abb. links)

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In westlicher/europäischer Welt erst im 17.Jhd-Descartes (1632): flache, rotierende Gasscheibe-Kant (1755): Sich selbst überlassene Wolke / Laplace (1796) : rotierende Scheibe

-Entdeckungen treiben Entwicklung moderner Theorien ständig voran (Mondoberfläche, Meteoritenzusammensetzung...)

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Kant:

-kugelförm. Urnebel/Wolke aus Staubteilchen u. meteoritenartigen Körpern zieht sich wg. eigener Schwerkraft zusammen

-ungeordnete Bewegung,Geschwindigkeitsverlust durch Teilchenstöße,Sonnenbildung in der Mitte

- außen zufällige Verdichtungen --> Planeten, diese sammeln restliche Teilchen auf

Frage nach gleichem Umlaufsinn der Planeten um die Sonne und einheitlicher Bahnebene bleibt offen

Katastrophentheorien vs. Nebeltheorien

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Heutige Vorstellung:

Prozesse zur Sonnensystementstehung laufen insgesamt in einigen 100 Mio Jahren ab:

-Bildung rotierender Scheibe

-chem. Kondensation von Körnchen

-Planetoidenbildung durch Gravitation

-Planeten- und Satellitenbildung durch Akkretion

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Heutige Vorstellung:

Urnebel: rotierende Wolke aus Gas und Staub**vor der eigentlichen Entstehung: Elementsynthese in Supernova(e)(später)

Eigenkontraktion:-findet statt auf Grund: turbulenten Bewegungen,Rotation, Magnetfeldern, EIGENGRAVITATION

-führt zu:Temperaturerhöhung(wachsende Dichte, mehr Teilchenstöße)

-Kontraktion bis: im Inneren Gasdruck = Gravitationsdruck

-im Zentralbereich größere Dichte (bedingt durch größere Eigengravitation) -Sternentstehung

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Sonnenbildung vermutlich vor 4,6 Mrd. Jahren durch Kollaps einer Gaswolke (links), dabei Temperaturanstieg, Kernfusion setzt ein, Kontraktion stoppt (rechts).

Brennmaterial Wasserstoff verbraucht in vielleicht 10 Mrd. Jahren --> Aufblähung zum Roten Riesen schließlich Sonnenkollaps nach einer sich wiederholenden Kontraktions- und Kernfusionsphase --> Sonne wird Weißer Zwerg

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-gesamte Wolke erfährt Abplattungkugelsymmetrische Gaskugel wird zur Scheibe

-Drehimpuls:

bei Kontraktion erhalten,daher schnellere Rotation bei Kontraktion

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Vermutung:

in der Regel entstehen aus Urnebel Binär- oder Mehrfach- Sternsysteme (oben) oder Planetensysteme (unten)

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Ursonne rotationsinstabil sehr schnelle Rotation (Zentrifugalkraft am Äquator = Gravitationskraft) Abströmung von Material bei weiterer Kontraktion Mitrotierendes Magnetfeld (eingefroren wegen Flusserhaltung) teilweise ionisiertes Gas strömt aus und wird mitgeschleppt Geschwindigkeiten ausströmenden Materials bei jungen Sternen: 50...500 km/s eingefrorenes Magnetfeld ermöglicht Drehimpulsübertragung aus Gashülle (3. Keplersches Gesetz) Drehimpulsverlust der Ursonne: Kopplung zwischen rotierender Ursonne und mitgeschleppter umgebender Materie Drehimpulsübertragung auf umgebendes Gas schnellere Rotation Teilchen entfernen sich vom Zentrum

Woher kommt der Drehimpuls der Planeten?

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Drehimpulsübertragung auf umgebendes Gas führt zu schnellerer Rotation, Teilchen entfernen sich vom Zentrum

Urnebel (ca. 10 Sonnenmassen)rotiert innen rascher als außen

-Temperaturgefälle (innen -> außen)-Kondensation zu festen Teilchen (Tröpfchen)

-Teilchen klein: Gas führt sie mit-Teilchen etwas größer: Bewegung allein durch Schwerkraft/Fliehkraft bestimmt

-Planetenbildung aus granularer Scheibe von Kondensaten

-Planetesimale -gebildet aus kondensierten Körnchen-Akkretieren später zu Planeten

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-Planetesimale wachsen aus Staubkörnchen zusammen-Bildung immer größerer Objekte durch Fragmentation (bei Kollisionen mit über 40 km/s) und weitere Akkretion durch Gravitation bis hin zu Planetoiden und schließlich Planeten

-Reste ursprünglicher Planetesimale sieht man heute als Kometenkerne außerhalb Saturnbahn, daher wertvolle Informationen über dieses Stadium der Planetenentstehung

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(zur gleichen Zeit: Kontraktion der Sonne stoppt, Kernzündung)

-Leuchtkraft der Sonne viel stärker -Rest-Gas wird weggeblasen (aus heutiger Elementhäufigkeit lässt sich abschätzen, dass ca. 99% des ursprünglichen Gases fort geblasen wurden)

-junge Sonne durchlebte wahrscheinlich T-Tauri- Stadium,dabei treten Gasströme von 200...300km/s auf, das liegt um Größenordnungen über heutigem Sonnenwind

Erklärung für Unterschiede der inneren und äußeren Planeten:

-alle Planeten ursprünglich innen „fest“ und große Gashülle, aberursprüngliche Gasansammlungen innerer Planeten wurden fort geblasen-äußere Planeten größer (stärkere Eigengravitation) und Sonnenwind wirkt sich weiter außen deutlich schwächer aus als innen, daher Gasansammlungen erhalten

Wenn starker Sonnenwind, woher kommen dann Atmosphären?

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Hypothesen zur Entstehung der Atmosphären erdähnlicher Planeten:

- Akkretion, Atmosphärengase bereits in Staubkörnchen vor Planetesimalbildung enthalten

- Gase nach Planetenbildung hydrodynamisch eingefangen

- Kometen- und Asteroidenbombardement

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Eine etwas unbekanntere Theorie: Barnardscher Pfeilstern und Sonne entstanden als Doppelsystem (?)

Besonderheiten des Planetensystems

-Titius- Bodesche Reihe(-das Rätsel Erde und Mond, vielleicht nur erwähnen wegen Zeit...)

Woher kommt der Staub? Elementsynthese

Andere, inzwischen entdeckte Planetensysteme

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Modell: zwei Wolken, in der ersten entstanden Merkur bis Jupiter, Saturn und Rest in einer weiteren abgeschnürten WolkePlausible Fakten: mittlere Dichten steigen an zu Massezentren der Wolken (siehe Graphik), steigende Dichte der Planeten je näher sie an Sonne/Zentralgestirn sind

Ist unser Sonnensystem einst als Doppelsternsystem entstanden?

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Idee Alfred Fischers entstand aus diversen Beobachtungen bzw. Auswertung vorhandener Daten:

-Planetendichten

-periodische Temperaturschwankungen auf der Erde (u.a. Eiszeiten)

-Kometenbahnen (Olbers, Halley)

-Massenschwerpunkt des Gesamtsystems aus Massenverhältnis von Jupiter/Saturn bestimmt

Suche nach Fixstern in näherer Umgebung, dessen Bewegung zu beobacht. Periodizitäten passt: Barnardscher Pfeilstern

Kosmische Katastrophe trennte beide Systeme

-Hypothese wurde an atronomische Institute zur Klärung geschickt, aber anscheinend noch nicht ausgewertet

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Abstände der Planeten in Astronomischen Einheiten: Planet i R(berechnet) R(beobachtet) Merkur - 0,4 0,39 Venus 0 0,7 0,72 Erde 1 1,0 1,0 Mars 2 1,6 1,52 kl. Planeten 3 2,8 2,9 Jupiter 4 5,2 5,2 Saturn 5 10,0 9,55 Uranus 6 19,6 19,2 Neptun 30,9 Pluto 7 38,8 39,5

Titius- Bodesche Reihe

Bis heute nicht ganz klar: Zufällige Materialverteilung?„Gesetz“ bei Planetenbildung?Resonanzeffekte der Umlaufzeiten um Sonne (mögl.weitere Planeten evtl. zerstört oder aus Sonnensystem entfernt)

iiR 23,04,0

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Woher kommt der Mond?

a) Abspaltungstheorie (Erde rotierte in 2-3 h, Abplattung, Instabilität am Äquator): damit wäre chem. Zusammensetzung erklärbar, aber Drehimpuls des Systems wäre viel größer

b) Einfangtheorie (geringe Wahrscheinlichkeit)

c) Schwesterplanet- Theorie:Erde und Mond aus gleicher „Urwolke“ entstanden,damit sind aber die deutlich vorhandenen Unterschiede der chemischen Zusammensetzung nicht erklärbar

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d) Aufprall- Theorie

Aus Untersuchungen an Erd- und Mondgestein sowie Meteoriten fanden Geowissenschaftler heraus:

-Mond besteht zumindest zur Hälfte aus Erdmaterial (Science, 4. Juli 2003)

(Material ähnlich, aber Unterschiede im Detail, z.B. viel geringerer Eisen- Gehalt als auf der Erde)

-Hypothese: Mond vor 4,53 Milliarden Jahren durch Kollision zwischen Erde und einem Kleinplaneten* entstanden

*marsgroßer Planet: Theia

Theia identisch mit sumerischem „Nibiru“?

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PP I PP II PP III CNO

H+H D+e++ 3He+4He7Be+ 3He+4He7Be+ 12C+H13N+

D+H3H+ 7Be+e-7Li+ 7Be+H8B+ 13N13C+e++ 3He+3He4He+2H+ 7Li+H8Be24He 8B8Be+24He 13C+H14N+

14N+H15O+

15O15N+e++ 15N+H12C+4He

Fusionsprozesse in Sternen:

Elementsynthese

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Nukleosynthese schwerer Elemente

S-ProzessNeutronenabsorption: Bildung instabiler Elemente (genug Zeit für den Beta- Zerfall) bevor ein weiteres Neutron eingefangen wird-> Isobar m. Kernladungszahl +1

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r-Prozess:schnelle Anlagerung von Neutronen (Kerne, die reich an Neutronen sind)

-während explosiver Phase (Lebensende eines massereichen Sterns) können bei Schockwellen-Explosionen nukleare Fusionen, Fotodisintegration (Fotospaltung) und schneller Neutroneneinfang auftreten

- r-Prozess (rapid neutron capture) spielt sich im Gegensatz zum s-Prozess auf sehr kurzen Zeitskalen ab, Neutroneneinfangzeiten ca 10-4 s.

-Ende des eigentlichen Syntheseprozesses nach Versiegen des Neutronenflusses: Kerne zerfallen zurück zum Stabilitätstal

-so sind neutronenreiche Isotope erklärbar, die nicht vom s-Prozesspfad berührt werden

-kurze Dauer (wenige Sekunden) deutet auf explosiven Mechanismus hin (Supernova)

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Ist unsere Sonne selbst eine ehemalige Supernova?

Idee: Sonneneruptionen könnten von den Überresten eines explodierten Sterns im Sonneninnern verursacht werden

- heute gängige Theorien: Sonne u. restl. Himmelskörper im Sonnensystem aus einem Urnebel entstanden „in der Nähe des Urnebels“ explodierte Supernova ließ demnach den Nebel kollabieren u.initialisierte Sonnensystembildung

- neue Idee (O.Manuel, Missouri, 2003): explodierende Supernova lieferte das Material für den Urnebel u. deren Überreste befinden sich heute im Innern der SonneArgument: relatives Verhältnis leichte/schwere Isotope im Sonnenwind, Vermutung: Sonnenkern enthält viel Eisen

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Andere Planetensysteme

-Entdeckung durch period. Bewegungsänd. des Sterns

-erstmals 1996 extrasolarer Planet nachgewiesen

-Überprüfung der Entstehungsszenarien an protoplanetaren Nebeln und entdeckten Systemen

-neue Fragen

z.B.: Gasriese extrem dicht an Sonne

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Unter: www.astrobox.net

findet man Angaben und Bilder zu einigen bislang bekannten extrasolaren Planeten(systemen):

http://www.astrobox.net/index.html?http://www.astrobox.net/astro/sosys/andere.php

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Literatur:

Alfred Fischer: „Die Harmonie im Kosmos“ (2003)

Rudolf Kippenhahn: „Unheimliche Welten – Planeten, Monde und Kometen“ (1987)

„The Cambridge Atlas of Astronomy“ edited by Jean Audouze and Guy Israel Cambridge University Press and Newnes Books 1985

H.V. Klapdor-Kleingrothaus/ K. Zuber : „Teilchenastrophysik“ (1997)

H.H. Voigt: „Abriss der Astronomie“ (1975)

http://results.about.com/solar_system/