Voraussetzungen der Entstehungdes Sonnensystems und der Erde

(und des Lebens)

Hans ZinneckerAstrophysikalisches

Institut Potsdam

Bonn02. 12. 2002

1. Was ist das Sonnensystem?Was sind seine Besonderheiten?

  

die meiste Masse in der Sonne,0,1% in den Planeten

 1% der Gesamtmasse als schwere Elemente (wichtig)

 neun Planeten, grosse Vielfalt, fast Kreisbahnen

 alle in einer Ebene (koplanar),

gleichsinniger Umlauf 

wenig Drehimpuls in der Sonne,200 mal mehr in den Planeten (Jupiter)

 innen terrestrische Planeten (Eisenkern/Silikatkruste),

aussen Gasriesen 

Alter des Systems: halb so alt wie die Milchstrasse(4,6 Mrd. Jahre)

2. Wie könnte das Sonnensystem entstanden sein?

von den ersten Ideenbis zur modernen Computer-Simulation

 erste Ideen:

Kant (1755), Laplace (1796)rotierende Gaswolke (Urnebel)

 Irrwege:

Chamberlin & Moulton 1905,Jeans & Jeffreys 1917

Planeten aus Sonnenmaterialdurch Gezeiten-Sternbegegnungen

 Wiederbelebung von Kant/Laplace Theorie:

von Weizsäcker (1948), Lüst (1952) 

Beginn moderner Beobachtungen:IR-Exzess, Staubkontinuum bei jungen Sternen

Staub-Gas Verhältnis ca. 1%, Ursprung des Sternen-Staubs?

2. Wie könnte das Sonnensystem entstanden sein?

von den ersten Ideenbis zur modernen Computer-Simulation

direkte Bilder:

Silhouetten-Scheiben im Orion-Sternhaufen (face-on disks)

 isolierte edge-on Scheiben

(Staubband, Streulicht,HH30 Disk/Jet System)

 

Computer-Simulationen:

Kollaps einer Gas/Staubwolkezu Proto-Stern mit Scheibe (H.W. Yorke)

Entwicklung eines Protosternhaufens (M. Bate)

 

3. Die Entstehung der Planeten,der Erde und des Lebens

 

Radial konzentrische Entstehungszonen der Planeten

  

Stoffzusammensetzung hängt ab vom Sonnenabstand (fest/flüchtig)

  

Staubwachstum zu Planetesimalen (1km)grav. Instabilität der Staubschicht, Gasreibung

  

Planetesimale kollidieren, runaway Wachstum zu Planetoiden (1000 km)

  

Planetoiden wachsen “oligarchisch“,stören sich gegenseitig gravitativ,

Planetoiden wachsen durch gegenseitige Stößeoder durch Aufsammeln der Planetesimale(siehe Einschlagkrater), Hill-Einflusszonen

3. Die Entstehung der Planeten,der Erde und des Lebens

 

feste Kruste, Differenzierung (Eisenkern),Wasser im Erdinnern,

Ausgasen nach Aufheizungdurch Asteroiden/Kometen Bombardement

600 Mill. Jahre lang,danach Abklingen der Einschläge: erstes Leben

  

vor 2.5 Milliarden Jahren:rapide Sauerstoffzunahme, Eukaryonten

  

vor 600.000 Jahren: Supereiszeit,danach kambrische Explosion: Tiere

  

die Erde im Vergleich zu Mars und Venus(Vereisung, Treibhaus-Effekt)

  

enge habitale Zone(Wasser flüssig, Tripelpunkt; Plattentektonik, ...)

4. Ist das Sonnensystem einzigartig?Wahrscheinlich nicht.

  

viele junge Sterne mit Scheiben seit 1990 entdeckt...  

Silhouetten-Scheiben im Orion-Sternhaufen:Proto-Sonnensysteme?

  

extrasolare Planeten seit 1995 gefunden(sog. hot Jupiters)

  

noch kein 2. Sonnensystem gesehen, schwierig(Kontrast Planet - Stern)

  

dennoch Zuversicht: Interferometrische Methoden(VLTI, ALMA, TPF, DARWIN)

  

weitere Methoden:Mikrolinseneffekt, Planetenbedeckung

5. Ist die Erde einzigartig?Wahrscheinlich ja:

günstige Kombination.  

flüssiges Wasser, Land, Plattentektonik,Vulkanismus, Magnetfeld

  

Schiefe der Ekliptik, Jahreszeiten,Gezeiten, Mond, Atmosphäre

  

Entwicklung höheres Leben(erst nach langer Zeit, ca. 4 Mrd. Jahre)

  

UV Schutz durch Ozon, stabiler Treibhauseffekt(40 Grad mehr)

  

Erde: 45% Sauerstoff (Mg, Si, Fe Oxide),relativ wenig Wasser (0,1%)

5. Ist die Erde einzigartig?Wahrscheinlich ja:

günstige Kombination. 

Spuren von Kohlenstoff und Wasserstoff,auch Phosphor (DNA)

  

Vorgeschichte der Erde:Sauerstoffentwicklung Atmosphäre, Eiszeiten

  

Diversität vs. Konvergenz, Schneeball Erde(Ozeane alle gefroren)

  

Massensterben durch Asteroideneinschlagvor 65 Millionen Jahren...

  

Bäume, Pflanzen, Blumen,

denkende Menschen

6. Astrobiologie:neues interdisziplinäres Feld

  

Astronomie, Biologie, Paläontologie, Ozeanographie,Mikrobiologie, Geologie, Genetik;

  

Suche nach Bedingungendes Lebens im Universum

  

Baum des Lebens (3 Domänen, 5 Reiche):älteste gemeinsame Gene...

Ausblick   

anthropisches Prinzip: 

a) schwaches :atomare Konstanten genau richtig

für unsere Existenz 

b) starkes:Universum ist so angelegt,

dass es Menschen geben muss... 

Kopernikanisches Prinzip: 

wir sind nichts Besonderes (Raum, Zeit) 

oder doch? ("Hypothese der einsamen Erde")

Voraussetzungender Entstehung der Erde

  

Supernovae bilden schwere Elemente

  schwere Elemente bilden Staubkörner

  Molekülbildung auf Staub, UV-Abschirmung,

kalte Wolken, Kollaps

  Anfangsbedingung beim Wolkenkollpas:

nicht zu große, nicht zu kleine Masse(Masse bedingt Lebensdauer)

  nicht zu schnelle (sonst Doppelstern),

nicht zu langsame Rotation(sonst keine ausgedehnte Scheibe,notwendig für Planetenbildung)

  Staub mit fraktaler Struktur,

Körner haften bei Zusammenstoß,aber geschwindigkeitsabhängig

(Koagulation und Fragmentation)

Voraussetzungender Entstehung der Erde

  

erdähnlicher Planet(Masse, Größe, Eisenkern, Kruste, Atmosphäre)

  

Plattentektonik (warum?)  

Radioaktivität (Vulkanismus,der nicht zu schnell ausstirbt)

  

Erd-Magnetfeld (schirmt kosmische Strahlung ab,rettet Atmosphäre)

  

flüssiges Wasser, aber nicht zu viel Wasser,sonst kein Land

Voraussetzungender Entstehung der Erde

  

Sauerstoff (Energiespender des Lebens),Ozonschicht (Schutz vor UV-Strahlung)

  

Kohlenstoff als Spurenelement(Großteil in CO gebunden, sonst CO2)

  

stabiler Treibhauseffekt(Regelkreis durch Karbonatsilikatverwitterung)

  

Verteilung der Land- und Wassermasse(Albedo, Klima)

  

sichere galaktische Umgebung(keine allzu nahe Supernova)

Voraussetzungender Entstehung der Erde

  

richtiger Abstand vom Zentralgestirn(richtige Temperatur)

  

nicht zu hohe Temperatur(sonst chem. Bindungen instabil)

  

Einzelstern, kein Doppelstern(Strahlungsmenge konstant)

  

Lebensdauer des Zentralgestirns(d.h. kleine Sternmasse, 1M)

  

Existenz des Mondes und/oder des Jupiter(Asteroiden, Kometen)??

Ich bedanke mich

für Ihr Interesse

und wünsche Ihnen

einen angenehmen

Heimweg

„Und sie bewegt sich doch!“

Christoph Scheiner1573 – 1650Philosoph, Theologe,Mathematiker, Astronom

1610 – 1617 Professor für Mathematik in Ingolstadt

1611 erste anonyme Publikationen über die Entdeckung der Sonnenflecken

1630 „Rosa Ursina“

Entdeckungen:- Sonnenflecken- diff. Rotation der Sonne- Rotationsachse der Sonne

Galileo Galilei1564 – 1642Mediziner, Physiker,Mathematiker, Astronom

1589 Professor für Mathematik in Florenz

1604 Fallgesetze1608 Flugbahn Geschosse1612 Antwortschreiben Galileis an M. Welser

1610 „Sidereus Nuncius“

Entdeckungen: - Sonnenflecken - Mondkrater - Jupitermonde

Bau und Benutzung von Linsenteleskopen

Prioritätsstreit über die Entdeckung der Sonnenflecken