Wie Riesenplaneten entstehen

Astronomen haben zwei Theorien aufgestellt, welche die Geburt von Riesenplaneten wie Jupiter oder Saturn erklären. Beim ersten Mechanismus findet der Aufbau von unten nach oben statt, indem sich zuerst ein fester Kern bildet, der etwa zehnmal so gross ist wie die Erde. «Dann hat dieser Kern genügend Masse, um eine beträchtliche Menge Gas anzuziehen und zurückzuhalten», erklärt Judit Szulágyi, Astrophysikerin an der ETH Zürich und Mitglied des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS.

Die zweite Theorie ist ein Szenario, das von oben nach unten führt: Dabei ist die Materiescheibe um den jungen Stern so dicht, dass Gas und Staub aufgrund ihrer Schwerkraft Spiralarme bilden, die Klumpen enthalten. Schliesslich lässt die Gravitation diese Klumpen direkt in sich zusammenstürzen und formt so einen Gasplaneten, ähnlich wie Sterne gebildet werden. Der erste Mechanismus heisst «Kern-Akkretion», der zweite «Scheiben-Instabilität». In beiden Fällen bildet sich um die Gasriesen eine so genannte zirkumplanetare Scheibe – den Geburtsort von Monden.

Um herauszufinden, welcher Mechanismus im Universum tatsächlich stattfindet, simulierten Judit Szulágyi und Lucio Mayer, Professor für Theoretische Astrophysik und Kosmologie an der Universität Zürich, die beiden Szenarien auf dem Supercomputer 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: «Und wir erzielten eine höhere Auflösung als irgendwer zuvor.»

In ihren Studien, die in der Zeitschrift «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» veröffentlicht wurden, fanden die Forschenden einen grossen Unterschied zwischen den beiden Entstehungsmechanismen: Beim Szenario zur Scheiben-Instabilität blieb das Gas in Planetennähe sehr kalt, um 50 Kelvin, während im Fall der Kern-Akkretion die zirkumplanetare Scheibe auf mehrere hundert Kelvin aufgeheizt wurde. «Die Simulationen zur Scheiben-Instabilität sind die ersten, welche die zirkumplanetare Scheibe um mehrfache Protoplaneten auflösen können», erklärt Mayer.

Dieser riesige Temperaturunterschied lässt sich leicht beobachten. «Wenn Astronomen neu entstehende Planetensysteme anschauen, genügt es, die Temperatur in Planetennähe zu messen, um herauszufinden, welcher Mechanismus den Planeten geformt hat», erklärt Szulágyi. Ein erster Vergleich der berechneten und beobachteten Daten scheint eher für die Kern-Akkretions-Theorie zu sprechen.

Ein anderer, vorhergesagter Unterschied zeigte sich hingegen nicht in den Computersimulationen. Zuvor hatten die Astrophysiker angenommen, dass sich die Masse der zirkumplanetaren Scheibe in den beiden Szenarios deutlich unterscheidet. «Wir zeigten, dass dies nicht stimmt», sagt die Forscherin.

In einer zweiten Studie simulierte Judit Szulágyi mit Christoph Mordasini (Universität Bern) den Entstehungsprozess von Planteten am CSCS.