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Wie die Monde des Jupiters entstanden sind

Als Astrophysiker von PlanetS an der Universität Zürich ihre Computersimulationen analysierten, erlebten sie eine Überraschung: Die Monde des Jupiters entstanden viel schneller und später, als bisher angenommen. Zudem fanden die Forschenden heraus, dass die heute sichtbaren Monde kaum die einzigen waren, die je beim Riesenplaneten geformt wurden, aber sie haben als einzige überlebt.

Beispiel einer zirkumplanetaren Scheibe, eingebettet in eine protoplanetare Scheibe, in den ersten Phasen der Planetenbildung. Orange steht für hohe Dichte, blau für niedrige Dichte. Die Struktur auf der linken Seite ist die Scheibe, die sich um einen jungen Jupiter bildet. Illustration: Judit Szulágyi

Wenn wir an Monde denken, ist das erste, was uns in den Sinn kommt, unser eigener Mond, der die Erde umkreist. Astronomen nehmen jedoch an, dass Monde im Universum sehr verbreitet sind, zumindest um Riesenplaneten wie den Jupiter. Tatsächlich haben in unserem Sonnensystem alle äusseren Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) ein System von natürlichen Satelliten und Ringen. Die grössten sind die sogenannten Galileischen Monde, die um den “König der Planeten”, den Jupiter, kreisen.

Während Beobachtungsdaten viel Material liefern, um die Eigenschaften der Jupitermonde zu verstehen, weiss man noch immer nicht, wie und in welchem Zeitrahmen sich dieses Satellitensystem bilden konnte. Dieses Rätsel zu lösen, war das Ziel von Marco Cilibrasi, Dr. Judit Szulágyi, Prof. Dr. Lucio Mayer, Dr. Joanna Drażkowska, Prof. Yamila Miguel und Cassandra Inderbitzi – einer Forschungsgruppe, die hauptsächlich am Institut für Computational Science an der Universität Zürich beheimatet ist. Das Team beschloss, den Entstehungsprozess solcher Satellitensysteme mit Hilfe von Computersimulationen zu untersuchen.

Simulation von hunderttausenden von Systemen

Grundlegende Idee der Arbeit, die zum Teil im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS durchgeführt wurde: Die Trabanten bildeten sich zusammen mit dem jungen Jupiter. Wie die Planeten, die sich in einer protoplanetaren Gas- und Staub-Scheibe um die Sonne herum formten, so entstanden auch die Monde in einer kleinen zirkumplanetaren Scheibe um die Riesenplaneten. Dies erklärt die Tatsache, dass die Umlaufbahnen der Galileischen Monde in der Rotationsebene des Jupiters liegen und fast perfekt kreisförmig sind. Die zirkumplanetare Scheibe um den Gasriesen entwickelte sich in der letzten Phase seines Entstehungsprozesses und war so lange vorhanden, bis sich der Jupiter dank einer kontinuierlichen Zufuhr von Gas und Staub aus der protoplanetaren Scheibe vollständig gebildet hatte.

Ausgehend von diesem Szenario entwickelten die Forschenden der Universität Zürich ein theoretisches Modell, basierend auf dem heutigen Wissen über die Struktur der zirkumplanetaren Scheibe, ihrer Evolution sowie der Geburt und Entwicklung der Satelliten innerhalb der Scheibe. Mit diesem vollständigen, aber einfachen Modell konnte die Forschungsgruppe um Cilibrasi, Szulágyi und Mayer hunderttausende von Jupiter-ähnlichen Systemen während ihrer Entstehung berechnen, dies mit jeweils verschiedenen Anfangsbedingungen und Eigenschaften (insbesondere der Staubmenge in der Scheibe und der Lebensdauer der Scheibe selbst). Die statistische Analyse der Ergebnisse der Simulationen lieferte eine Reihe neuer Erkenntnisse.

Verlorene Mond-Generationen

Die Forschungsgruppe fand heraus, dass die heute sichtbaren Jupiter-Trabanten wahrscheinlich nicht die einzigen Monde sind, die je beim Planeten geformt wurden, aber die einzigen, die überlebt haben. «Unser Modell beweist, dass sich nacheinander mehrere Satellitensysteme um den Jupiter herum bildeten, die dann jeweils in den riesigen Planeten stürzten. Nur eine letzte Generation überlebte,» sagt Cilibrasi. All dies geschah in einer kurzen Zeitspanne von etwa 100’000 Jahren. Diese Epoche war die «allerletzte Minute» der Entstehung des Jupiters. Nach dem Modell umfasste die Zeitspanne für die Bildung der Galileischen Satelliten vermutlich nur 20’000 Jahre – weniger als 1% der Lebensdauer der protoplanetaren Scheibe der Sonne, in der alle Planeten im Sonnensystem geformt wurden. «Diese superschnelle und späte Entstehung von Monden war für uns sehr überraschend, da dies um Grössenordnungen kürzere Zeiträume sind, als bisher angenommen», sagt Szulágyi.

Die Studie lieferte auch eine verblüffende, neue Lösung für ein altes Problem. Die Gashülle des Jupiters ist viel reicher an schweren chemischen Elementen als unsere Sonne. Die verlorene Satellitengeneration könnte schuld an dieser eigentümlichen Zusammensetzung sein. Dutzende von Monden, die sehr reich an schweren Elementen waren, wurden vom Planeten während seiner Entstehung verschlungen. Die Simulationen zeigten, dass sich im Durchschnitt das 15-fache der Erdmasse an Monden bildete, deren kurzes Leben schnell im Planeten selbst endete. Die Arbeit ergab zudem, dass die meisten der Satelliten der letzten Generation reich an Eis waren. Dies bedeutet, dass ein Ozean unter der Oberfläche, wie beim Mond Europa, auch bei den Monden jupiterähnlicher Exoplaneten relativ häufig sein könnte.

Auf der Suche nach Monden bei Exoplaneten

Die neue Studie liefert zudem Erkenntnisse über die Mondentstehung im Allgemeinen und kann helfen abzuschätzen, wie viele Monde um extrasolare Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems kreisen. Heute sind mehr als 3500 Exoplaneten bekannt, viele davon sind Riesenplaneten, vielleicht mit einem Satellitensystem ähnlich demjenigen von Jupiter. Interessanterweise führten die Simulationen oft zu sehr grossen Monden mit Massen jenseits derjenigen der Galileischen Monde. Kommen solche Welten, die um extrasolare Riesenplaneten kreisen, häufig vor, könnten sie durch Beobachtungen leichter zu entdecken sein, als bisher angenommen.

Mit den Weltraumteleskopen Hubble und Kepler fanden Astronomen bereits erste Hinweise darauf, dass ein Exomond-Kandidat einen riesigen Planeten um einen Stern namens Kepler-1625 umkreisen könnte. Die Grösse des Mondes wäre vergleichbar mit dem Neptun. Dies ist allerdings erst eine Hypothese, die durch Folgebeobachtungen bestätigt werden muss. Die Astronomen erwarten, dass in naher Zukunft Weltraumteleskope wie CHEOPS und PLATO in der Lage sein könnten, massereiche Monde bei Riesenplaneten aufzuspüren. (Marco Cilibrasi)

M Cilibrasi,J Szulágyi,L Mayer,J Dra̧żkowska,Y Miguel,P Inderbitzi: “Satellites form fast and late: a population synthesis for the Galilean moons”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, November 2018, https://doi.org/10.1093/mnras/sty2163

Bild der vier Galileischen Satelliten im Vergleich zu Jupiter. Bild: ESA

Die Galileischen Monde

Die Monde des Jupiters wurden 1610 von Galileo Galilei entdeckt, als er sein Teleskop zum ersten Mal auf den Jupiter richtete und vier kleine helle Punkte sah, die sich um den Planeten bewegten. Er taufte sie «Sidera Medicea – Gestirne der Medici» zu Ehren des Grossherzogs der Toskana, Cosimo II. de’ Medici. Heute werden diese vier Monde als Galileische Satelliten bezeichnet und tragen die Namen von Geliebten des Gottes Jupiter: Io, Europa, Ganymed und Callisto.

Beginnend mit den Missionen Pioneer 10 und 11 (1973-74) und der berühmten Voyager-Mission (1979) versorgte die NASA Forschende aus aller Welt mit spektakulären Bildern und Daten, die es ihnen ermöglichten, viele interessante Eigenschaften des Jupiter und seiner vier grossen Trabanten zu verstehen. Heute wissen wir zum Beispiel, dass sich die drei inneren Satelliten in einer sogenannten Resonanzkonfiguration befinden (d.h. Ganymeds Umlaufzeit um den Jupiter ist doppelt so gross wie die Umlaufzeit Europas und genau viermal so gross wie die von Io). Dank der Weltraummissionen kennen wir die inneren Strukturen und Schichten dieser Gesteinskörper und wir wissen auch, dass wahrscheinlich drei von ihnen (Europa, Ganymede und Callisto) salzhaltiges Wasser direkt unter ihren Oberflächen aufweisen. Dies ist für die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen besonders spannend, denn diese Ozeane machen die Galileischen Satelliten zu perfekten Zielen für die Suche nach ausserirdischem Leben. (MC)