Die großen Geheimnisse des Universums drehen sich oft um entfernte, unsichtbare Phänomene. Wissenschaftler rätseln über unerklärliche Ausbrüche von Radiowellen, die schwer fassbare Natur der Schwerkraft und darüber, ob dunkle Energie den Kosmos durchdringt. Aber andere Rätsel können in unserer eigenen Ecke der Galaxis gefunden werden, die uns direkt ins Gesicht starren - so wie die Erde der Planet wurde, der sie heute ist.
Diese Frage fasziniert die Forscher nach wie vor, um zu verstehen, wie sich die Erde gebildet hat und warum sie so gut für die Aufnahme des Lebens geeignet ist. Es hätte auch anders kommen können - schauen Sie sich nur unseren nächsten Nachbarn und fast Zwilling Venus an, der kein flüssiges Wasser hat und dessen Oberfläche glühende 870 Grad Fahrenheit hat. "Venus und Erde sind eine Art ultimativer Kontrollfall", sagt Sue Smrekar vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. "Wir verstehen nicht ganz, wie die Erde so bewohnbar und die Venus so unbewohnbar wurde."
Das ist ein bisschen überraschend, da die Erde mit Abstand der am besten untersuchte Planet im Universum ist. Geologische Prozesse wie die Plattentektonik recyceln jedoch ständig Beweise aus der Vergangenheit, und ein Großteil der kritischen Informationen über die Zusammensetzung der Erde verbirgt sich in ihren unzugänglichen Tiefen. "Sie versuchen, einen Planeten zu verstehen, den Sie nur an der Oberfläche untersuchen können", sagt James Badro, Geophysiker am Institut für Erdphysik in Paris. Obwohl die Wissenschaftler eine Fülle von Erkenntnissen aus der Untersuchung des Bodens unter unseren Füßen gewonnen haben, ist die gesamte Geschichte des Aufbaus und der Entwicklung der Erde unbekannt.
Deshalb haben sich Forscher um Hilfe an den Himmel gewandt. Sie haben andere Sternensysteme auf der Suche nach Hinweisen untersucht und nach den Bausteinen der Erde unter den Trümmern des Sonnensystems gesucht. Jetzt könnte eine Reihe geplanter und vorgeschlagener Weltraummissionen Wissenschaftlern helfen, mehr der fehlenden Teile auszufüllen.
Von der Untersuchung neuer Aspekte protoplanetarischer Körper bis hin zur Ermittlung, woher sie stammen und wie sie miteinander vermischt wurden, hoffen die Forscher, die Prozesse der Planetenbildung, die die Erde hervorgebracht haben, genau bestimmen zu können. Für viele ist es eine ebenso philosophische wie eine wissenschaftliche Aufgabe. "Es ist eine Frage unserer Herkunft", sagt Badro.
Der künstlerische Eindruck einer geplanten Mission zu Psyche, einem Asteroiden, der für ganz aus Metall gehalten wird. (NASA / JPL-Caltech) Die meisten Forscher sind sich jetzt über die allgemeine Geschichte unseres Sonnensystems einig. Es begann vor 4, 6 Milliarden Jahren, als eine riesige Wolke aus Gas und Staub, die im Weltraum schwebte, zusammenbrach, möglicherweise ausgelöst durch die Schockwelle einer nahe gelegenen Supernova. Die abgeflachte Wolke wirbelte dann zu einer sich drehenden Scheibe, aus der - etwa 100 Millionen Jahre später - unser Sonnensystem mehr oder weniger in seinem gegenwärtigen Zustand hervorging: die Sonne, umgeben von acht Planeten und unzähligen kleineren Körpern, die überall verstreut waren.
Die feineren Details darüber, wie sich unsere kosmische Nachbarschaft gebildet hat, bleiben jedoch umstritten. Zum Beispiel diskutieren Wissenschaftler immer noch, woraus die Planeten bestehen. "Wir wissen, wie der Kuchen aussieht", sagt Lindy Elkins-Tanton von der Arizona State University, "aber wir möchten auch wissen, wie all diese einzelnen Zutaten aussehen", sagt sie.
Wissenschaftler glauben, dass die Erdplaneten durch Verschlingen kleinerer Planetesimale gewachsen sind - Objekte mit einem Durchmesser von bis zu zehn Meilen, die sich aus protoplanetarem Staub angesammelt haben. Aber die Zusammensetzung und Struktur dieser Planetesimalen war schwer zu bestimmen. Das Studium unserer Sammlung von Meteoriten - Fragmenten von Asteroiden, die auf die Erde gefallen sind - ist ein guter Ausgangspunkt, sagt Francis Nimmo, Planetologe an der University of California in Santa Cruz. Aber es ist nicht genug.
Das liegt daran, dass wir nicht unbedingt Proben von allem haben, was in die Planeten gelangt ist - einige Komponenten fehlen möglicherweise oder existieren überhaupt nicht mehr. Einige Meteoriten scheinen für die Erde in Ordnung zu sein, aber Wissenschaftler können keine Kombination von Meteoritentypen finden, die die chemische Zusammensetzung der Erde vollständig erklärt. "Das ist etwas unangenehm, weil wir nicht wirklich wissen, wie die Erde zusammengesetzt wurde", sagt Nimmo.
Elkins-Tanton hofft, dass eine geplante zukünftige Mission - einer von fünf Finalisten für das Discovery-Programm der NASA - helfen könnte. Das von Elkins-Tanton geleitete Projekt würde ein unbemanntes Raumschiff senden, um ein Objekt namens Psyche zu besuchen, das sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter befindet. Psyche ist ungefähr 150 Meilen breit und scheint, basierend auf entfernten Beobachtungen seiner Dichte und Oberflächenzusammensetzung, aus massivem Metall zu bestehen. Es kann auch den Bausteinen der Erde ähneln.
"Dies könnte der kleine Kern eines Körpers sein, der sich in der Region gebildet hat, in der sich der Erdplanet gebildet hat und der gerade von vielen anderen Dingen getroffen wurde und dessen felsiges Äußeres entfernt wurde", sagt Elkins-Tanton. Auf der NASA-Mission Dawn untersuchten Wissenschaftler den Asteroiden Vesta, einen Protoplaneten, der sich wahrscheinlich auch in der Nähe der Erde gebildet und dann in den Asteroidengürtel geworfen wurde. Es ist jedoch die einmalige Gelegenheit zu sehen, was sich unter der Oberfläche von Objekten wie Vesta befindet und Elkins-Tanton begeistert.
"Psyche ist der einzige Körper im Sonnensystem, mit dem wir einen Metallkern direkt beobachten können", sagt sie. "Dies könnte unsere einzige Chance sein, diese Art von Zutat in Augenschein zu nehmen." Zusammen mit den anderen Discovery-Finalisten werden Elkins-Tanton und ihre Kollegen im September herausfinden, ob die Mission erfolgreich ist.
Nach dem klassischen Modell der Planetenbildung begannen Planetesimale, sobald sie die Größe von Psyche erreicht hatten - zehn bis hundert Meilen im Durchmesser -, ihre Nachbarn zu kannibalisieren, sagt Kevin Walsh, ein Planetenwissenschaftler am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado. „Die größten wachsen sehr schnell“, sagt er dank ihres zunehmenden Einflusses auf die Gravitation.
Dieser Prozess der außer Kontrolle geratenen Anreicherung hätte die Zahl der Körper im Sonnensystem auf vielleicht hundert mond- bis marsgroße Planetenembryonen und ein paar kleinere Trümmer verringert. Im Laufe der Zeit vereinigten sich diese Embryonen langsam zu Planeten.
Aber während diese Erklärung für die Erdplaneten gut funktioniert, die sich nach geologischen Erkenntnissen im Laufe von 30 bis 100 Millionen Jahren gebildet haben, ist sie für Gasriesen wie Jupiter ein Problem. Wissenschaftler glauben, dass die Kerne dieser Körper viel schneller wachsen mussten - schnell genug, um ihre massive Atmosphäre aus dem Gas des frühen Sonnensystems zu gewinnen, das sich in nur wenigen Millionen Jahren auflöste.
Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben Forscher einen alternativen Mechanismus zum Züchten von Planeten entwickelt, der als Kieselakkretion bekannt ist. Es ist eine deutliche Abkehr vom herkömmlichen Akkretionsmodell, bei dem Objekte zu immer größeren Teilchen zusammengefasst werden. Oder, wie es Walshs Kollege Hal Levison ausdrückte: „Kieselsteine bilden Felsbrocken und Felsbrocken bilden Berge - bis ganz nach oben.“ Andererseits sagt die Anreicherung von Kieselsteinen voraus, dass Objekte von faustgroßen Klumpen zu Körpern von Pluto-Größe wachsen Fast sofort, und dann weiter an Masse zunehmen, sagt Levison, der die Hypothese mitentwickelt hat.
Der Prozess hätte kurz nach der Entstehung der protoplanetaren Scheibe begonnen, als Staubpartikel, die die junge Sonne umkreisen, zu kollidieren begannen und zusammenkleben, wie synchronisierte Skater, die sich beim Umrunden einer Eisbahn an die Hände schlossen. Schließlich hätten aerodynamische Kräfte und Gravitationskräfte große Gruppen dieser Kieselsteine zusammengezogen und Planetesimale gebildet. Die Planetesimalen fegten dann weiter die verbleibenden Kieselsteine um sich herum und wuchsen schnell, bis sie Planeten bildeten.
Neben der Frage, wie Gasriesen so schnell gewachsen sind, bietet das Modell auch eine Möglichkeit, die sogenannte metergroße Barriere zu überwinden, die seit den Anfängen in den 1970er Jahren Modelle der planetaren Akkretion plagt. Es bezieht sich auf die Tatsache, dass Objekte, wenn sie erst einmal einen Durchmesser von drei Fuß erreicht haben, durch die Reibung des umgebenden Gases in die Sonne geschleudert wurden. Durch Kieselablagerungen werden kleine Partikel über die Schwelle geschleudert, sodass sie groß genug sind, um mithalten zu können.
Die Wissenschaftler versuchen immer noch zu verstehen, ob dieser Prozess im gesamten Sonnensystem stattgefunden hat und ob er sich für den inneren und den äußeren Planeten auf die gleiche Weise ausgewirkt hätte. (Während es für die Gasriesen funktioniert, passen die späteren Stadien des schnellen Wachstums nicht zu dem, was wir über die Entstehung von Erdplaneten wissen.) Die Forscher werden jedoch möglicherweise später in diesem Jahr einige Hinweise finden, als die NASA-Mission Juno, die letzten Monat erfolgreich Jupiter erreichte, Informationen über die Zusammensetzung und den Kern des Planeten sammelt.
Laut Walsh wird es den Forschern helfen, die verschiedenen Modelle der planetaren Akkretion einzuschränken, wenn sie herausfinden, wie viel Material sich im Zentrum des Gasriesen befindet. Wenn Jupiter einen kleinen Kern hat, hätte die klassische Akkretion ihn möglicherweise schnell genug aufbauen können. Wenn es groß ist, könnte es bedeuten, dass stattdessen so etwas wie eine Anreicherung von Kieselsteinen stattgefunden hat, sagt er.
Jupiter und seine Monde Io, Europa und Ganymede, wie sie von der Juno-Mission kurz nach dem Eintritt des Raumschiffs in die Umlaufbahn um den Gasriesen fotografiert wurden. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Wenn Sie wissen, wie sich Jupiter gebildet hat, können Sie auch die Ursprünge der anderen Planeten, einschließlich der Erde, besser verstehen. Dies liegt daran, dass Jupiter beschuldigt wurde, sich in die Konstruktion der inneren felsigen Planeten eingemischt zu haben, zumindest nach einer neuen Idee, die Walsh und andere in den letzten Jahren entwickelt haben.
Die Hypothese, die als Grand Tack-Modell bekannt ist, legt nahe, dass Jupiter nach der Umformung das gesamte Material auf seinem Weg um die Sonne entfernt und so effektiv eine Lücke in der protoplanetaren Scheibe geschlossen hätte. Die Scheibe enthielt jedoch immer noch viel Gas und Staub, der in Richtung Sonne drückte, als die Scheibe abgeflacht und gedehnt wurde, sagt Walsh.
Jupiters Lücke blockierte effektiv den Fluss dieses Materials und der Planet wurde „im Hochwasser gefangen“, sagt Walsh. Es wanderte ungefähr in die Umlaufbahn des Mars ein, und Saturn war ihm dicht auf den Fersen. Aber als Saturn folgte, folgte genug Material, um die Festplatte wieder anzuschließen. Dies ließ den Druck auf den Jupiter nach und ermöglichte es beiden Planeten, innerhalb weniger hunderttausend Jahre wieder auszuwandern. Das Modell wurde durch Beobachtungen von seltsam geordneten Planeten in anderen Sonnensystemen inspiriert, die vermuten lassen, dass solche Wanderungen häufig sind, sagt Walsh.
Für den Rest des Sonnensystems wäre dies so etwas wie ein Paar Bullen in einem kosmischen Porzellanladen gewesen. Trümmerteile aus dem inneren Sonnensystem wären herausgeschleudert worden, während Unordnung aus dem äußeren System hineingezogen worden wäre, sagt Walsh. Das Modell hilft bei der Erklärung der Größe des Mars und der Anzahl und Vielfalt der Körper, die heute im Asteroidengürtel zu finden sind.
Es gibt auch eine mögliche Erklärung dafür, wie die Erdplaneten ihr Wasser bekommen haben. Laut Grand Tack hätte die Gasplanetenwanderung bereits während der Entstehung der Erdplaneten stattgefunden und wasserreiches Material aus dem äußeren Sonnensystem in die Mischung geworfen. Walsh und viele andere Wissenschaftler sind der Ansicht, dass kohlenstoffhaltige Asteroiden, die sich möglicherweise jenseits des Jupiter gebildet haben, die Hauptträger für die Wasserversorgung der Erde waren.
Diesen September wird die NASA eine Mission starten, um einen solchen Asteroiden namens Bennu zu besuchen. Walsh ist Co-Ermittler des Projekts OSIRIS-REx, das den Körper aus der Ferne untersucht, bevor er eine Probe aufnimmt, um sie zur Erde zurückzubringen. Eine ähnliche Mission der japanischen Weltraumbehörde namens Hayabusa 2 ist auf dem Weg, 2018 einen weiteren kohlenstoffhaltigen Asteroiden zu erproben.
Wissenschaftler hoffen, mehr darüber zu erfahren, woher diese Asteroiden stammen und ob sie tatsächlich die Quelle einer Klasse von Meteoriten sind, die als kohlenstoffhaltige Chondriten bekannt sind. Sie hoffen auch, dass die Untersuchung einer unberührten Probe - und nicht eines Meteoritenfragments - Aufschluss darüber gibt, ob diese Objekte nicht nur Wasser zur Erde geliefert haben, sondern auch die organischen Verbindungen, die möglicherweise als Vorläufer für das Leben gedient haben.
Als OSIRIS-REx zur Erde zurückkehrt, könnte es sich mit Lucy kreuzen, einer weiteren geplanten Mission, die wie Psyche Finalistin im Discovery-Programm ist. Lucy, angeführt von Levison, will die letzte große Erschütterung erforschen, die unser Sonnensystem erschütterte - ein planetarischer Tango, der etwa 500 Millionen Jahre nach dem Grand Tack begann. Zu diesem Zeitpunkt löste Pluto nach einer Hypothese von Levison und anderen eine Instabilität aus, die dazu führte, dass Neptun außerhalb von Uranus hüpfte und die äußeren Gasriesen von der Sonne in ihre heutigen Positionen abwanderten.
Diese Störung, bekannt als das Modell von Nizza, hätte einen Regen von Trümmern in das innere Sonnensystem geschleudert, was möglicherweise eine Anhäufung von Stößen erklärt, die sich während einer Periode gebildet haben, die als das Spätharte Bombardement bekannt ist. Die terrestrischen Planeten, wie die Erde, hatten sich zu diesem Zeitpunkt größtenteils gebildet, so dass das Ereignis ihre Zusammensetzung nicht wesentlich beeinflusste. Aber es hat vielleicht Wissenschaftler, die zu verstehen versuchen, wie sich das Sonnensystem entwickelt hat, in die Knie gezwungen. Die Störung könnte Objekte in das innere Sonnensystem geschleudert haben, die keine Verbindung zu den Materialien hatten, aus denen der Großteil der terrestrischen Planeten besteht, sagt Walsh.
Lucy könnte Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, was wirklich passiert ist, und ihnen ermöglichen, zu entwirren, was wo vermischt wurde. Dies würde erreicht werden, indem eine Gruppe von Asteroiden untersucht wird, die in Jupiters Umlaufbahn eingeschlossen sind. Diese Objekte, bekannt als die Jupiter-Trojaner, sind eine Mischung von Körpern, die sich im gesamten äußeren Sonnensystem gebildet haben und dann während der Migration zusammengeworfen wurden.
Mitte der 2020er Jahre, wenn die Mission sie erreichen würde, werden die Trojaner in genau der richtigen Konfiguration für ein Raumschiff ausgerichtet sein, um eine große Tour durch sechs Körper zu machen. „Ich habe die Götter der Himmelsmechanik während meiner gesamten Karriere verehrt“, sagt Levison, ein Planetendynamiker. "Sie haben beschlossen, es mir zurückzuzahlen, weil sich die Planeten buchstäblich ausrichten."
Levison sagt, dass die Untersuchung der Trojaner aus der Nähe Forschern eine klarere Vorstellung davon geben wird, wie das Mischen des Nice-Modells stattgefunden hat, und auch einen Test der Kieselakkretion liefern könnte. Die Hypothese sagt voraus, dass alles, was kleiner als ungefähr 60 Meilen ist, tatsächlich ein Fragment eines größeren Körpers sein sollte. Es ist eine Vorhersage, die Lucy testen kann.
Ein künstlerischer Eindruck von der Oberfläche der Venus, wo die Temperaturen milde 870 Grad Fahrenheit betragen. (ESA / AOES Medialab) Zusammengenommen scheinen diese Missionen bereit zu sein, das Verständnis der Wissenschaftler für die Ursprünge der Erde zu fördern, wahrscheinlich auf eine Weise, die sich Forscher noch nicht einmal vorstellen können. Denn um ein solides Bild der Planetenformation zu erhalten, müssen Daten aus vielen verschiedenen Quellen kombiniert werden, sagt David Stevenson, ein Planetenwissenschaftler bei Caltech.
Wir haben jedoch noch einen langen Weg vor uns, bevor wir verstehen, was die Erde und die Venus so unterschiedlich macht. "Es ist beinahe peinlich, dass wir hier auf der Erde sitzen und diesen großen Planeten in unserer Nähe haben, über den wir so wenig wissen", sagt Stevenson. "Der Grund, warum wir so unwissend sind, ist, dass es verdammt heiß ist!"
In der Tat haben die höllischen Bedingungen auf der Oberfläche der Venus die Bemühungen behindert, den Planeten im Detail zu untersuchen. Zwischen den 1960er und 80er Jahren gelang es Russland, eine Reihe von Raumfahrzeugen auf der Oberfläche zu landen. Sie überlebten nur ein paar Stunden und sendeten kurze Datenblitze, bevor sie der Hitze erlagen. Aber diese und andere Missionen, wie die NASA-Mission Pioneer und Magellan, die den Planeten aus der Ferne untersuchten, gewährten Einblicke in die Funktionsweise des Planeten.
Wir wissen zum Beispiel, dass die Venus eine intensive Treibhausatmosphäre hat, die fast ausschließlich aus Kohlendioxid besteht, und dass sie anscheinend den größten Teil ihres Oberflächenwassers verloren hat. Möglicherweise verhindert dies, dass dort Plattentektonik auftritt. Man geht davon aus, dass Wasser die Räder der Subduktionsplatten schmiert. Dies könnte auch erklären, warum der Venus ein geomagnetisches Feld fehlt, das viele Wissenschaftler für lebensnotwendig halten, weil es den Planeten vor den Verwüstungen des Sonnenwinds schützt. Geomagnetische Felder werden laut Nimmo durch Konvektion im Kern eines Körpers erzeugt und beruhen auf einer Mantelzirkulation, die häufig an die Plattentektonik gebunden ist, um Wärme abzuleiten.
Was Wissenschaftler mehr als alles andere wollen, sind Proben von Venus-Oberflächengesteinen, aber das bleibt ein fernes Ziel. Auf absehbare Zeit müssen sich Forscher mit weiter entfernten Beobachtungen zufrieden geben, wie sie von einer aktuellen japanischen Mission stammen. Anfang dieses Jahres begann das Akatsuki-Raumschiff nach einem ungeplanten fünfjährigen Umweg um die Sonne endlich, Daten von seiner Umlaufbahn um die Venus weiterzuleiten.
Darüber hinaus erwägt die NASA zwei weitere eigene Missionen mit Venus-Schwerpunkt, bei denen es sich auch um Discovery-Finalisten handelt. Ein Projekt mit dem Namen VERITAS wird von Smrekar geleitet und umfasst einen Orbiter, der in der Lage ist, die Geologie des Planeten in High Definition zu untersuchen. Die zweite vorgeschlagene Mission unter der Leitung von Lori Glaze vom Goddard Space Flight Center sollte die einzigartige Atmosphäre der Venus mit einer Sonde namens DAVINCI analysieren.
Die Hoffnung ist, dass diese Bemühungen zeigen, warum sich die Venus so entwickelt hat und was die Erde so anders macht. Momentan glauben viele Forscher, dass Erde und Venus wahrscheinlich aus ungefähr demselben Material entstanden sind und sich dann im Laufe der Zeit aufgrund verschiedener Faktoren auseinander entwickelten. Dazu gehören die unterschiedliche Nähe zur Sonne und die Tatsache, dass die Erde relativ spät in ihrer Geschichte einen schweren Zusammenstoß erlebt hat - den Aufprall, der den Mond geformt hat -, der einen Großteil des Planeten neu geschmolzen und möglicherweise seine Dynamik verändert hätte.
Aber bis wir mehr darüber wissen, wie sich die Planeten in unserem Sonnensystem gebildet haben und welche Prozesse ihre Entwicklung beeinflusst haben, werden wir nicht wissen, was einen gastfreundlichen Planeten von einem unfruchtbaren Planeten unterscheidet, sagt Walsh. "Wir haben im Weltraum Teleskope, die erdgroße Planeten um andere Sterne jagen, aber wir haben keine Ahnung, ob sich ein Planet in eine Venus oder in eine Erde entwickeln wird", sagt er. "Und das ist in gewisser Hinsicht das ganze Ballspiel."
