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Habitable Planeten konnten vor den ersten Galaxien entstehen
Die ersten für Planeten wichtigen schweren Elemente entstanden in den allerersten Sternen. Neue Simulationen zeigen nun, dass daraus schon in der kosmischen Morgendämmerung protoplanetare Scheiben mit mehreren Erdmassen an Planetesimalen entstehen konnten. Unter günstigen Bedingungen könnten die Voraussetzungen für felsige Planeten damit bereits 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhanden gewesen sein.
Portsmouth (England). Kurz nach dem Urknall bestand das Universum fast nur aus Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne erzeugten in ihrem Inneren schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen und verteilten sie bei ihrem explosiven Ende im All. Damit begann in der kosmischen Morgendämmerung auch die chemische Entwicklung, die später Sterne mit Planeten möglich machte.
Besonders ergiebig könnten sogenannte Paarinstabilitäts-Supernovae gewesen sein. Bei diesen Explosionen sehr massereicher Sterne der Population III kann mehr als das Hundertfache der Sonnenmasse an schweren Elementen freigesetzt werden. Dadurch können einzelne Gaswolken schon im jungen Universum stark mit Metallen angereichert worden sein, obwohl der Kosmos insgesamt noch sehr metallarm war.
Forscher der University of Portsmouth (UoP) um Dr. Daniel Whalen haben nun untersucht, ob aus einem solchen angereicherten Supernova-Relikt tatsächlich die Vorstufen felsiger Planeten entstehen könnten. Ausgangspunkt ihrer Simulation war ein dichter Gaskern aus dem Überrest einer Paarinstabilitäts-Supernova. Für dessen Kollaps und die anschließende Entwicklung der protoplanetaren Scheibe modellierte das Team Gas, Staubwachstum und die Umwandlung von Staub in Planetesimale gemeinsam.
Der simulierte Kern umfasst im betrachteten Bereich etwa eine Sonnenmasse und besitzt einen Metallgehalt von rund acht Prozent des solaren Werts. Rund 24.000 Jahre nach Beginn des Kollapses bildet sich im Modell ein Protostern. Etwa 1.000 Jahre später entsteht darum eine rotierende Scheibe, die durch einströmendes Material rasch an Masse gewinnt.
„Unsere neue Arbeit, bei der mein Doktorand Chris Jessop den ersten Teil der Simulationskette durchgeführt hat, zeigt, dass die Vorläufer terrestrischer Planeten 100 Millionen Jahre nach dem Urknall um massearme, langlebige Sterne in den Überresten der ersten kosmischen Explosionen entstehen können. Zum Vergleich: Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, das ist also bemerkenswert früh in der kosmischen Geschichte“, sagt Dr. Daniel Whalen.
Die konkret simulierte Scheibe gehört zur kosmischen Morgendämmerung. Die Autoren folgern zudem, dass ähnliche Systeme unter geeigneten Bedingungen noch früher entstanden sein könnten. Bestimmte frühe Halos könnten demnach bereits 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall genügend angereichertes Material für wasserreiche protoplanetare Scheiben bereitgestellt haben.
Entscheidend ist eine Besonderheit der jungen Scheibe. Außerhalb ihrer innersten Bereiche wird sie durch ihre eigene Schwerkraft instabil und entwickelt Spiralarme, die Gas und Drehimpuls transportieren. In der inneren Scheibe ist dieser Transport dagegen deutlich schwächer. Dadurch entsteht dort eine Zone erhöhten Drucks, in der nach innen driftende Staubteilchen hängen bleiben und weiter wachsen.
Rund 20.000 Jahre nach der Scheibenbildung erreichen Staubkonzentration und Teilchengröße im Modell Werte, bei denen die sogenannte Streaming-Instabilität einsetzen kann. Dabei konzentrieren sich feste Partikel durch ihre Wechselwirkung mit dem Gas so stark, dass sie zu größeren Körpern verklumpen. Es entstehen Planetesimale, also kilometergroße und größere Bausteine, aus denen später Gesteinsplaneten hervorgehen können.
Die Planetesimale bilden sich vor allem in einem schmalen Bereich, ungefähr 0,5 bis 1,0 Astronomische Einheiten vom jungen Stern entfernt. Im Referenzlauf erreicht ihre Gesamtmasse rund sechs Erdmassen. Veränderte Annahmen zur Fragmentation des Staubs, zur Streaming-Instabilität oder zum anfänglichen S