Erfreuliche Aussichten für Mondjäger
Astrophysiker von Universität und ETH Zürich zeigen, wie die Eismonde von Uranus entstanden sind. Ihr Ergebnis deutet darauf hin, dass solche potenziell bewohnbaren Welten im Universum viel häufiger vorkommen, als bisher angenommen. Die extrem komplexen Computersimulationen wurden am nationalen Hochleistungsrechenzentrum CSCS in Lugano durchgeführt.
Computersimulation zur Bildung von Monden (weisse Objekte) um den Neptun (blaue Kugel). (Bild: Judit Szulágyi)
In unserem Sonnensystem gibt es viele Monde: Neben Erde und Mars haben auch Jupiter, Saturn, Neptun und Uranus natürliche Satelliten. Es fragt sich, ob bei Exoplaneten, die um andere Sterne kreisen, Monde ebenfalls häufig vorkommen. «Das ist ein spannendes Problem in der heutigen Astronomie, das im Moment schwer zu beantworten ist», sagt Judit Szulágyi, die als Oberassistentin an der Universität Zürich und an der ETH Zürich arbeitet. Die historische Entdeckung eines ersten Exomond-Kandidaten wurde im Oktober 2018 von einer amerikanischen Gruppe angekündigt, muss aber noch bestätigt werden. Nun sind Judit Szulágyi und ihre Kollegen Marco Cilibrasi und Lucio Mayer von der Universität Zürich einen Schritt weiter bei der Lösung des Rätsels, wie viele Exomonde es geben und wie sie aussehen könnten. Dies berichten die Forschenden in der Zeitschrift «Astrophysical Journal Letters».
Im Fokus der Forschenden standen die Planeten Uranus und Neptun in unserem Sonnensystem – Eisriesen mit fast 20-facher Erdmasse, die aber viel kleiner als Jupiter und Saturn sind. Uranus hat ein System mit fünf Hauptmonden. Um Neptun hingegen kreist nur ein grosser, sehr schweren Satellit genannt Triton. «Es erstaunt, dass diese beiden sehr ähnlichen Planeten völlig verschiedene Mondsysteme haben, das weist auf eine sehr unterschiedliche Entstehungsgeschichte hin», erklärt Szulágyi. Die Astrophysiker glauben, dass Triton von Neptun eingefangen wurde – ein relativ seltenes Ereignis. Die Monde von Uranus jedoch sehen eher aus wie die Systeme von Saturn und Jupiter, von denen man denkt, dass sie in einer Gasscheibe um die Planeten herum am Ende derer Entstehung geformt wurden.
Simulationen mit Supercomputer
«Bisher glaubte man, dass Uranus und Neptun zu leicht sind, um eine solche Scheibe zu bilden», sagt die Astrophysikerin. Daher wurde angenommen, dass die Monde des Uranus nach einer kosmischen Kollision entstanden sein könnten – wie unser eigener Mond, ebenfalls ein relativ seltenes Ereignis wie der Einfang. Nun konnten die Astrophysiker, die auch Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS sind, diese bisherige Idee widerlegen. Ihre äusserst komplexen Computersimulationen zeigen, dass Uranus und Neptun tatsächlich noch während ihrer Entstehung eine eigene Scheibe aus Gas und Staub formten. Die Berechnungen erzeugten vor Ort Eismonde, die in ihrer Zusammensetzung den heutigen Uranus-Satelliten sehr ähnlich sind. Aus den Simulationen des Supercomputers «Mönch» am CSCS geht zudem hervor, dass Neptun ursprünglich auch von einem Uranus-ähnlichen, mehrfachen Mondsystem umkreist wurde, das aber beim Einfang von Triton zerstört worden sein muss.
Die neue Studie liefert nicht nur Erkenntnisse zur Geschichte unseres Sonnensystems, sondern auch über Monde im Allgemeinen. «Wenn Eisriesen ihre eigenen Satelliten bilden können, bedeutet dies, dass die Mondpopulation im Universum viel umfangreicher ist, als bisher angenommen», fasst Szulágyi zusammen. Bei der Suche nach Exoplaneten werden oft Eisriesen und Mini-Neptune entdeckt. Das bedeutet, dass Planeten dieser Grössenordnung häufig vorkommen. «Wir können daher im nächsten Jahrzehnt mit vielen weiteren Exomond-Entdeckungen rechnen», ist die Astrophysiker überzeugt.
Dieses Ergebnis ist auch im Hinblick auf die Suche nach bewohnbaren Welten äusserst spannend. In unserem Sonnensystem sind zwei Hauptziele für die Suche nach ausserirdischem Leben die Eismonde von Jupiter und Saturn: Europa und Enceladus. Auf beiden sollen unter einer dicken Eiskruste Ozean aus flüssigem Wasser liegen. «Diese Ozeane unter der Oberfläche sind offensichtlich Orte, an denen sich Leben, wie wir es kennen, möglicherweise entwickeln könnte», sagt Judit Szulágyi: «Eine viel grössere Population von Eismonden im Universum bedeutet also mehr potenziell bewohnbare Welten, als man sich bisher vorgestellt hat. Sie werden hervorragende Ziele sein, um nach Leben ausserhalb des Sonnensystems zu suchen.»
Planeten bilden sich in Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne, wie man am Anfang der Animation sieht. Die Eisriesen (Uranus und Neptun) bilden wie Gasriesen (Jupiter und Saturn) im Spätstadium ihrer Entstehung ihre eigene zirkumplanetare Scheibe, wo ihre Monde geboren werden (braune Kugeln). (Animation erstellt von S. Dobler aus der Simulation von J. Szulagyi)
Judit Szulágyi, Marco Cilibrasi and Lucio Mayer: “In situ formation of icy moons of Uranus and Neptune”, 2018, ApJL, 868, L13
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