In den Anfängen unseres Sonnensystems hat Jupiter einen zweifelhaften Ruf. In gewisser Weise diente der Riese als Beschützer der Erde, und seine Schwerkraft schleuderte gefährliche Trümmer von den felsigen Planeten weg. Gleichzeitig hat Jupiter möglicherweise auch Material nach innen geschleudert und wasserstoffreiche Asteroiden und planetare Embryonen oder Planetesimale in überfüllte junge terrestrische Planeten geschleudert.
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Jetzt schlagen Forscher vor, dass Jupiter und andere Gasriesen damit etwas anderes beigetragen haben, das für felsige Welten von entscheidender Bedeutung ist: Wasser.
Die massereichsten Welten haben möglicherweise wasserreiche Trümmer aus dem äußeren Sonnensystem gehütet, um auf die felsigen Welten zu fallen. Und neue Forschungen legen nahe, dass die Abgabe der Flüssigkeit, eine wichtige Zutat für das Leben, wie wir sie kennen, möglicherweise kein Glück war. Stattdessen sollten alle Planetensysteme, die das Glück haben, einen Gasriesen in ihren Außenbezirken zu beherbergen, automatisch wasserreiches Material haben, das auf ihre felsigen inneren Planeten fällt.
Nachdem sich die Gasriesen vollständig entwickelt haben, können die Trümmer, die sie nach innen schleudern, gefährlich sein. In einer Schlüsselphase ihrer Geburt werfen sie jedoch wasserstoffreiches Material weg, das sich in der Erdkruste und im Erdmantel festsetzt und sich später mit Sauerstoff verbindet und zu Wasser wird.
"Während des Entstehungsprozesses senden sie diesen großen Stapel von Planetesimalen über den gesamten Ort und einige Schläge in die terrestrischen Planeten", sagte Sean Raymond, ein Astronom, der die Entwicklung von Planeten an der Universität von Bordeaux in Frankreich studiert und der Hauptautor einer Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Icarus . Durch die Modellierung der Rolle von Gasriesen im frühen Sonnensystem stellte Raymond fest, dass Riesenplaneten unterschiedlicher Größe unvermeidlich wasserreiches Material in das innere System schleuderten, wo es möglicherweise von Steinwelten als flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen gehalten werden könnte.
Wasser ist natürlich eine Schlüsselzutat für die Evolution des Lebens, wie wir es auf der Erde kennen. Wenn es also um Jagdwelten jenseits des Sonnensystems geht, gelten felsige Welten, in denen sich die kostbare Flüssigkeit befindet, als die besten Jagdgründe für das außerirdische Leben. Seit den 1980er-Jahren haben Forscher Probleme damit, festzustellen, wie Wasser auf die Erde gelangt ist. Heute sind kohlenstoffreiche Asteroiden der Hauptverdächtige.
In dem jungen Sonnensystem kam es häufig zu Kollisionen und Umlaufbahnen, und die frühen Asteroiden waren immer noch leicht von engen Begegnungen mit anderen Planeten betroffen, deren Schwerkraft sie in felsige Welten warf. "Ich denke, es ist eine sehr interessante Geschichte, und eine, die es ist Dies ist von grundlegender Bedeutung, wenn Sie versuchen zu verstehen, wie Sie bewohnbare Planeten herstellen ", sagte der Astrochemiker Conel Alexander, der primitive Meteoriten dieser Asteroiden untersucht.
Vor etwa 4, 5 Milliarden Jahren wurden die Planeten von einer Gaswolke geboren, die bei der Entstehung der Sonne übrig geblieben war. Das Gas hing Millionen von Jahren herum und beeinflusste die Bewegung der Planeten und ihrer steinreichen Bestandteile. Steigende Temperaturen führten dazu, dass Wasserstoff, ein Baustein für Wasser, in den kälteren Regionen des Sonnensystems, weit außerhalb der Reichweite der Erde, im Eis gefangen war.
Es schien, als wäre unser Planet dazu bestimmt, ein trockenes und unfruchtbares Ödland zu sein. Also was ist passiert?
"Ein lächerlich einfaches Konzept"
In den letzten Jahren haben Modelle unseres Sonnensystems gezeigt, dass die Gasriesen höchstwahrscheinlich einen komplizierten Tanz durchlaufen haben, bevor sie an ihren aktuellen Stellen gelandet sind. Neptun und Uranus haben sich wahrscheinlich näher an der Sonne gebildet als heute. Schließlich zogen sie nach draußen und tauschten Plätze auf dem Weg. Es wird angenommen, dass dieser Prozess, der als Nice-Modell bekannt ist, den späten schweren Beschuss ausgelöst hat, ein Anstieg der Eisschläge etwa 600 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems.
Saturn und Jupiter haben möglicherweise eine noch schrecklichere Reise hinter sich, als sie auf dem Weg in das innere Sonnensystem durch den jungen Asteroidengürtel pflügten, bevor sie ihren Kurs umkehrten und wieder nach außen gingen. Unterwegs schickten sie auch Asteroiden auf die Erde zu. Dies ist als das Grand-Tack-Modell bekannt, an dessen Formulierung Raymond 2008 mitgewirkt hat.
In dieser Zeit war Raymond zum ersten Mal fasziniert davon, wie der Jupiter die Wasserversorgung im frühen Sonnensystem beeinflusst hat. Aber seine Modellierung wurde durch ein kleines Programmierproblem behindert, das er nicht zu erschüttern schien. Es dauerte fast ein Jahrzehnt, bis der Postdoktorand Andre Izidoro eintraf, um das Problem zu lösen.
"Izidoro hat in einer halben Stunde einen Bug gefunden, den ich jahrelang hatte", sagt Raymond reumütig. "Ich war wirklich froh, dass er es gefunden hat, damit wir das Projekt tatsächlich durchführen können."
Unter dem neuen Modell destabilisiert die zunehmende Schwerkraft eines Gasriesen, der größer wird und mehr Material verbraucht, die Protoplaneten in der Nähe. Der Widerstand des noch vorhandenen Nebelgases beeinflusst, wie sich die Trümmer durch das Sonnensystem bewegen, und schickt einen Teil davon nach innen in Richtung des inneren Sonnensystems. Ein Teil dieses Materials wurde im Asteroidengürtel eingeschlossen und mit kohlenstoffreichen Asteroiden besiedelt, deren Wassergehalt dem der Erde so ähnlich ist.
Ursprünglich, so Raymond, waren die kohlenstoffreichen Asteroiden über eine Region verstreut, die sich über das 5- bis 20-fache der Entfernung zwischen Erde und Sonne erstreckte. "Es muss das gesamte Sonnensystem bedeckt haben", sagt er.
Alexander, der kohlenstoffreiche Asteroiden untersucht, vermutet jedoch, dass die Region kleiner war und sich die meisten Verdächtigen außerhalb der Jupiter-Umlaufbahn gebildet haben. Er ist jedoch der Meinung, dass das Modell von Raymond eine gute Erklärung dafür liefert, wie wasserreiches Material auf die Erde gelangt ist, und nennt die Hypothese „vollkommen vernünftig“.
"Dies ist der beste Weg, um diese flüchtigen Stoffe in die Region zu bringen, in der sich der irdische Planet bildet", sagt Alexander.
Das Modell lässt einige Fragen offen, warum heute so wenig von dem Massenreichtum des frühen Sonnensystems vorhanden ist. "Das ist ein Schlüsselelement, das verbunden werden muss", gibt Raymond zu.
Trotzdem hilft das Modell, einige Lücken zu schließen, darunter, warum das Wasser der Erde mehr mit der Zusammensetzung der Asteroiden des Außengürtels übereinstimmt als mit den trockeneren Asteroiden der Innengürtel.
"Es ist eine lächerlich einfache Folge des Wachstums von Jupiter und Saturn", sagt er.
Jagd auf wasserreiche Welten
Vor dem Modell von Raymond hielten Forscher es für den ungewöhnlichen Tanz der äußeren Planeten, der Wasser in das innere Sonnensystem schickte und die Erde vor einer trockenen Zukunft bewahrte. Wenn das wahr wäre, wäre es eine schlechte Nachricht für andere Welten, in denen die Gasriesen möglicherweise Mauerblümchen geblieben sind, die sich nie von ihrem Ausgangspunkt entfernt haben.
Das neue Modell legt nahe, dass jeder Gasriese als Folge seiner Entstehung feuchtes Material nach innen schleudern würde. Während riesige Jupiter-Welten am effektivsten waren, stellte Raymond fest, dass jeder Gasriese das Wachstum auslösen könnte. Das sind gute Nachrichten für Forscher, die außerhalb unseres Sonnensystems nach Wasserplaneten suchen.
In unserem eigenen Sonnensystem zeigt das Modell, dass Eis aus dem äußeren Sonnensystem in drei Wellen auf der Erde niedergeschneit ist. Der erste kam, als Jupiter anschwoll. Der zweite wurde während der Saturnformation ausgelöst. Und der dritte Fall wäre eingetreten, als Uranus und Neptun nach innen gewandert wären, bevor sie von den beiden anderen blockiert und an den Rand des Sonnensystems zurückgeschickt worden wären.
"Ich denke, das Coolste ist, dass es im Grunde genommen für jedes Exo-Sonnensystem gilt, in dem es Riesenplaneten und terrestrische Planeten gibt. Diese Riesenplaneten würden Wasser nach innen zu den terrestrischen Planeten senden", sagte David O'Brien, ein Forscher am Planetary Wissenschaftliches Institut, das die Planetenbildung und die Evolution des frühen Sonnensystems untersucht. "Das eröffnet viele Möglichkeiten für Studien über bewohnbare Planeten."
Leider haben wir bisher nicht viele vergleichbare Systeme. Die meisten der bekannten Exoplaneten wurden mit der Kepler-Mission der NASA identifiziert, die laut O'Brien am empfindlichsten für Planeten ist, deren Umlaufbahnen kleiner als die der Erde sind, und bei denen es schwierig ist, Gasriesen im äußeren System zu erkennen. Kleine felsige Planeten sind auch schwieriger zu beobachten. Das bedeutet nicht, dass sie nicht da sind - es bedeutet nur, dass wir sie noch nicht entdeckt haben.
Wenn es solche Systeme gibt, deuten die Forschungen von Raymond darauf hin, dass die felsigen Welten reich an dem sein sollten, was wir als Flüssigkeit des Lebens betrachten. "Wenn es terrestrische Planeten und Riesenplaneten gibt, haben diese Riesenplaneten dem terrestrischen Planeten wahrscheinlich etwas Wasser gegeben", sagt O'Brien.
