HL Tauri (protoplanetary disk) (Quelle: ALMA/ESO)

Das Problem der Planetenentstehung

Interne und externe Planetenerzeugung?

Als ich 1984 an die Universität Bonn in die Arbeitsgruppe von Hans Fahr kam, wußte ich noch nicht, dass mich die nächsten 20 Jahre fast nur ein Thema beschäftigte: Wie entstehen Planeten?  Ein Gebiet, dass eigentlich mehr der "Archäologie" angehört. Nicht logische Deduktion war hier gefragt, sondern viel eher gewagte Induktion und viele neue Ideen und Erfahrungen, die ich eigentlich noch nicht hatte. Die Theorie von selbstgravitierenden Gasscheiben mußte erst mit der Literatur erarbeit werden.  Einblicke in größere Computersimulationen hatte ich nur bei Michael Sterzik in der Arbeitsgruppe von E. Morfill in München und bei Richard Durisen in Bloomington/ USA.  Kurzum, um es mit dem Dichter Friedrich Schiller bei seiner Antrittsvorlesung 1789 in Jena zu sagen: Mit einem solchen Thema beschäftigt sich kein Brotgelehrter, sondern nur ein philosophischer Geist...

 

Im Rückblick kann ich sagen, es hat sich wirklich gelohnt. 1998 habe ich mit Hans Fahr das Buch: "Die Entstehung von Sonnensystemen" geschrieben, eine Retrospektive des Problems der letzten 300 Jahre. Schließlich stand am Ende des Weges  mein eigenes Triggermodell für die Bildung von Zwillingsplaneten, ein völlig unerwartetes schönes "biologisches" Szenarium mit eleganten analytischen Formeln (Green'scher Propagator für Druckwellen in differentiell rotierenden Gasscheiben und Bildung von zwei Spiralwellenbögen) und vielen Gedankenverbindungen zu anderen Gebieten der Astrophysik. Mit einer solchen Idee sieht man die Welt mit völlig neuen Augen, Altbekannte Empirie  erscheint in  neuen Lichtern und Farben.

 

Ein brauner Zwergstern durchschlägt eine protoplanetare Scheibe und erzeugt für kurze Zeit zwei spiralförmige Schockwellen, aus denen zwei Planetenkerne hervorgehen könnten (Uranus und Neptun?) .

Die klassischen Standardmodelle zur Planetenbildung wie die Gravitationsinstabilität (dazu gehört auch die spontane globale Spiralwellen - Instabilität und die noch wichtigere Balkenbildung) und auch die  normale selbstregulative Akkretion von Planetesimalen zu Planetenkernen bleiben der wahrscheinlichste Prozess für interne Planetenbildung.

 

Seit Ende der 1990er Jahre ist klar, das unsere eigene Galaxis (Milchstraße) zu den Balkenspiralgalaxien zählt. Und so ist es auch nicht ausgeschlossen, dass bei der Entstehung unseres Sonnensystems die protoplanetare Scheibe im inneren Bereich vorübergehend eine Balkenstruktur aufwies, die bis zur Jupiterbahn reichte. Diese Struktur transportierte Drehimpuls nach außen und Materie nach Innen. Deshalb hat die Sonne kaum Drehimpuls, dafür aber fast alle Masse innerhalb der Jupiterbahn erhalten. Der Drehimpuls ist heute als Bahndrehimpuls in den Gasriesen Jupiter , Saturn, Uranus und Neptun zu finden. Auch wird so die Zweiteilung des Sonnensystems - innen terrestrische Planeten - außen gasförmige Riesenplaneten - als notwendige Konsequenz einer dynamischen Entwicklung und Instabilität einer  selbst-gravitierenden Gasscheibe verständlich.

 

Eine Balkenbildung ist aber nur dann möglich, wenn die inneren Teile der jungen protoplanetaren Scheibe  noch mehr oder weniger starr rotierten - also die Bildung der zentralen Sonne noch nicht abgeschlossen war. Und weil die Gasscheibe relativ materiearm war, konnte aus der Balkenstruktur auch kein Doppelsternsystem oder Mehrfachsternsystem entstehen...

Mögliche Balkenstruktur in der protosolaren Scheibe. Die Bahnen von Jupiter und Saturn sind angedeutet. Der Toomre Parameter muss hier von Innen nach Außen zunehmen. Die terrestrischen Planeten sind ganz im Bereich der Balken - Dichtewelle entstanden.

...Die abduktive Vermutung kommt uns blitzartig, Sie ist ein Akt der Einsicht, obwohl von außerordentlich trügerischer Einsicht. Es ist wahr, daß die verschiedenen Elemente der Hypothese zuvor in unserem Geist waren; aber die Idee, das zusammenzubringen, von dem wir nie zuvor geträumt hätten, es zusammenzubringen, lässt blitzartig die neue Vermutung in unserer Kontemplation aufleuchten...

 

C.S. Peirce (1839-1914): Collected Papers (CP 5.181)

Die Theorie von Dichtewellen in selbstgravitierenden Gasscheiben

Warum entstehen spontan spiralförmige Dichtewellen?

Die dimensionslose Anwachsrate einer spiralförmigen Dichtewelle in einer selbstgravitierenden differentiell rotierenden Scheibe als Funktion des Neigungswinkels Theta zur radialen Richtung und des inversen Toomreparameters Q.

Die hydrodynaimsche Theorie von Dichtewellen in selbstgravitierenden differentiell rotierenden Scheiben führt zu dem Ergebnis, daß die gravitativen Moden mit positivem Steigungswinkel Theta (trailing waves) zur radialen Richtung in der Scheibe spontan anwachsen, während die Wellen mit negativem Steigungswinkel zur radialen Richtung (leading waves) gedämpft werden. Der kritische Steigungswinkel der so entstehenden logarithmischen Spiralarme zur tangentialen Bahnbewegung  beträgt bei Keplerscheiben nach der hydrodynamischen Theorie  etwa 24.09 Grad (tan[Theta] = 1/sqrt[5]). Dabei muß der sogenannte Toomre - Parameter Q oberhalb eines kritischen Wertes von der Quadratwurzel aus 7 liegen, also etwa 2.646. Liegt die Kennzahl darunter, werden reine Tangentialwellen instabil (Phasenübergang zweiter Ordnung; Analogie: Balkenstruktur bei Galaxien oder protostellaren sowie protoplanetaren Gasscheiben).

 

Allgemein gilt: Eine selbstgravitierende differentiell rotierende hydrodynamische Gasscheibe ist immer instabil.  Im Bereich Q > 2.646 treten bei einer Keplerscheibe immer Spiralwellen auf - je höher das Q, desto langsamer sind die Anwachsraten. Die spiralförmige Wellenfront (logarithmische Spirale) maximaler Instabilität hat dabei zur tangentialen Richtung in der Scheibe einen Neigungswinkel von etwa 24 Grad. Im Bereich 1 < Q < 2.646 tritt eine neuartige  "Balkeninstabilität" auf, die man bis jetzt nur bei Galaxien beobachtet hat. Schließlich setzt im Bereich Q < 1 sogar noch eine "Ringbildung" ein, die aber wohl eher eine Fission des Balkens darstellt. Echte Ringbildung ist nur mit einer speziellen Viskosität in der Staub -Gasscheibe möglich.

 

In der populären Literatur werden diese komplizierten Verhältnisse falsch oder vereinfacht dargestellt. Es wird häufig behauptet, daß für Q >1 die Materiescheibe stabil sei, was aber völliger Unsinn  ist.  

 

Lerne von der Wissenschaft, an den Experten zu zweifeln.

Richard Feynman (1918-1988)

Der Stern SAO 206462 im Infrarotlicht mit einer noch jungen protoplanetaren Gas - Staubscheibe. Deutlich sind Spiralstrukturen zu erkennen. (Quelle: NASA/Subaru - Mauna Kea)

Das obige Bild  ist keine "Computersimulation", sondern eine echte Abbildung einer protoplanetaren Scheibe im nahen Infrarot um den sonnenähnlichen Stern SAO 206462 in etwa 450 Lichtjahren Entfernung. Im Vergleich zum Sonnensystem würden sich die Spiralarme im Kuipergürtel befinden. Ob die Staub - Dichtewellen durch die spontane Spiralwelleninstabilität differentiell rotierender Scheiben oder durch ein oder zwei Planeten angeregt werden, ist noch unklar. Ich persönlich neige zum Ersteren. 

Protoplanetare Scheibe von HL Tauri (Quelle: ALMA/ESO November 2014)

Bei der obigen protoplanetaren Scheibe um den T-Tauri Stern HL Tauri sieht man deutlich ringförmige Strukturen - aber keine spiralförmigen Dichtewellen. In den Materielücken könnten sich schon größere Agglomerate (Planetenmbryonen) gebildet haben.  Auch nicht-achsensymmetrische Strukturen, die man für einen Materiering mit einer übergroßen Masse erwartet,  sind deutlich zu sehen. All dies entspricht den theoretischen Erwartungen für Akkretionsscheiben geringer Masse.

Hier wird bald ein ausführliches  eBook erscheinen, welches meine Forschungsergebnisse bezüglich von Dichtewellen in Materiescheiben zusammenfaßt.

Alle Wahrheiten sind leicht verständlich von dem Zeitpunkt an, wo sie aufgedeckt werden. Die Frage ist nur, ob sie aufgedeckt werden.

 

Galileo Galilei, (1564 - 1642)

Aktuelles

kritisch betrachtet

Was der Autor A. Unzicker bei Telepolis in seinem Artikel "Die Dunkle Energie ist tot - es lebe Einstein" vom 25. Oktober 2016 schreibt, kann man nur als peinlich bezeichnen. Der von Unzicker zitierte Text negiert keineswegs die beschleunigte Expansion. Schon ein expandierender  Newtonscher  N-Teilchenring erfährt kurzfristig eine beschleunigte Expansion, wenn eine symmetrische Paarbildung einsetzt. "Dunkle Energie" ist hier nichts anderes als Gravitationsenergie. Von der Shapiro - Laufzeitverzögerung von Lichtsignalen hat der Autor wohl noch nichts gehört.  Seine Bezugnahme auf einen Artikel  Einstein's von 1911 zeugt von Halbwissen und Halbwahrheiten. Der "krawallartige" Artikel von A. Unzicker dient nicht der kritischen  Aufklärung an einigen Aspekten der heutigen Kosmologie, sondern  verwirrt den Laien vollständig und macht den Autor selber immer unglaubwürdiger.   

Hinweise auf eine angebliche Phase der "Inflation" im frühen Universum zerfallen zu Staub: Im März 2014 veranstaltete ein Team um den Harvard Astronomen J. Kovac (BICEP2) für eine völlig übereilte propagandistische Pressekonferenz (schon einen Tag vorher als  Sensation angekündigt!): Man hat in der Hintergrundstrahlung des Universums Signaturen einer Polarisation entdeckt, die angeblich eindeutig auf Gravitations-wellen in einer Inflationsphase des frühen Universums schließen lassen. Der eigentliche Skandal ist, daß man die Daten fast ausschließlich durch MIE-Streuung von Mikrowellen an inter-stellaren Staubteilchen erklären kann und muss -  und genau daran hatte das "Team" bei der Auswertung nur sehr unzulänglich gedacht! Ein aggessiver Versuch, die Öffentlichkeit durch Sensation zu täuschen und eine nicht überprüfbare (nicht falsi-fisierbare) Theorie (Inflations - Hypothese) salonfähig zu machen. Der Citation-Index dieser Veröffentlichung ist inzwischen wesentlich höher als ihr Widerruf. Die Raffgier nach Forschungs-geldern und Nobelpreisen treibt auch in der Wissenschafts - Industrie  immer bizarrere Blüten...

Nachweis angeblich überall im Universum vorhandener DUNKLER MATERIE gescheitert! Das bis jetzt empfind-lichste Experiment LUX in Sanford/South Dakota USA konnte in einer ersten Phase Ende Oktober 2013 keine WIMPs - Teilchen feststellen, die angeblich einen großen Teil der angeblich existierenden Dunklen Materie ausmachen sollen. Alle früheren angeblichen Nachweise sind somit fehlerhaft gewesen. Ein sehr wichtiges, schönes und befriedigendes Resultat "Die Sekte der Gläubigen an die "Dunkle Materie", die sich selber als alternativlos ansieht,  bleibt so weiter in der Krise.  Hauptsache ist, der Rubel rollt und irgendwelche unkritischen Journalisten predigen fest die Dogmen den Gläubigen. Ob  so weiterhin der von Teilchenphysikern  geschürte "Big Science" Teilchen-Lobbyismus  mit der platten Devise - Wir verstehen nichts, können aber alles erklären - das vorherrschende Dogma bleiben wird, wissen nur die Sterne...