Wie kam es dazu, dass die Erde mit Eisen, Sauerstoff und all den anderen Zutaten für das Leben gefüllt wurde? Alles begann, als eine Staubwolke genug Masse ansammelte, um unter der Schwerkraft zusammenzubrechen, wie vom Astronomen James Jeans vorhergesagt.
In diesem Auszug aus Rebel Star:Our Quest to Solve the Great Mysteries of the Sun (£ 16,99, Michael O'Mara Books) erklärt Colin Stuart den bemerkenswerten Prozess, der Gas- und Staubwolken in das Sonnensystem, wie wir es kennen, verwandelt hat.
Wie wir hierher gekommen sind
Heute besteht unter Astronomen weitgehend Einigkeit über die grundlegenden Schritte, aus denen die Sonne entstand. Vor etwa 4,6 Milliarden Jahren befand sich im Weltraum eine Wolke aus Gas und Staub mit einem Durchmesser von etwa 65 Lichtjahren (620 Billionen Kilometer). Es begann sich zusammenzuziehen, bis es den kritischen Punkt erreichte, an dem uns James Jeans sagte, dass ein irreversibler Kollaps unvermeidlich sei.
Als sie weiter schrumpfte und sich schneller drehte, zersplitterte die Wolke in viele Teile. Eines dieser Fragmente hatte einen Durchmesser von etwa 3 Lichtjahren und wurde zur Sonne und ihrer Familie umlaufender Welten. Es enthielt alle Bestandteile des modernen Sonnensystems.
Nicht alle waren in ihrer jetzigen Form, aber die atomaren Bausteine waren für die Ringe des Saturn und die Monde des Mars vorhanden; für jede Zeile Tinte in jedem Buch, das jemals geschrieben wurde, und jeden Blutstropfen, der in jeder Schlacht vergossen wurde; für jede Biene, die summt, jede Blume, die wächst, und jeder Vogel, der singt; Picassos Farbe und Churchills Zigarren; deine Haare, deine Augen, deine Zähne.
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Es dauerte ungefähr 100.000 Jahre – ein astronomischer Herzschlag – bis die Wolke vollständig zusammenbrach. In dieser Zeit wurde es 2.000 Mal kleiner. Gasmoleküle prallten mit zunehmender Regelmäßigkeit aufeinander und erhöhten Temperatur und Druck gleichermaßen.
Eine dichte, heiße Kugel namens Protosun tauchte im Herzen der Wolke auf. Wie ein menschlicher Fötus war es noch nicht vollständig ausgebildet. Kompakter zu werden, erhöhte seine Rotationsgeschwindigkeit, um den Drehimpuls aufrechtzuerhalten. Material, das auf den Protostern zufiel, wurde nach außen in eine Umlaufbahn um ihn herum geschleudert und bildete eine protoplanetare Scheibe, die sich über das 1.000-fache des heutigen Abstands Erde-Sonne erstreckte.
Es würde weitere 50 Millionen Jahre dauern, bis die junge Protosonne zu dem Stern heranreift, der heute das Sonnensystem erleuchtet. Während dieser Wild-Child-Phase – vielleicht vergleichbar mit den Teenagerjahren eines Menschen – wurde er zu dem, was Astronomen einen T-Tauri-Stern nennen.
Die heranwachsende Sonne drehte sich mindestens doppelt so schnell wie jetzt und spie riesige Mengen hochenergetischer Strahlung in den Weltraum aus, und ihr Gesicht war mit riesigen Sonnenflecken übersät. Heftige Winde fegten von seiner Oberfläche weg und es ist möglich, dass zwei Jets aus Hochgeschwindigkeitsmaterial aus seinen Polen ausbrachen.
Es wird angenommen, dass dies eine Art ist, wie der Drehimpuls von einem Protostern auf die umgebende Scheibe übertragen wird und seine Rotationsgeschwindigkeit zu verlangsamen beginnt.
Inzwischen hat das Material in der Scheibe bereits begonnen, sich zu verklumpen. Erstens ziehen elektrostatische Kräfte winzige Staubkörner zu winzigen Kieselsteinen zusammen. Dann übernimmt die Schwerkraft, lässt die Kiesel immer wieder zusammenprallen und formt sie schließlich zu riesigen Felsbrocken mit mehreren hundert Metern Durchmesser.
Sie prallen abwechselnd aufeinander und erschaffen mächtige Planetesimale mit einer Breite von bis zu 10 Kilometern. Die Zusammensetzung dieser Bausteine hängt davon ab, wo sie entstehen. In der Nähe der Protosonne ist es so heiß, dass die meisten Materialien einfach verdampfen. Die einzigen Elemente, die das Inferno überleben können, sind solche mit superhohen Siedepunkten wie Eisen und Nickel.
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Schließlich durchstreifen ein paar hundert schwere, felsig-metallische Protowelten das innere Sonnensystem. Bei weiteren Kollisionen verwandeln sie sich in die vier terrestrischen Planeten, die überall von Monden und Asteroiden übersät sind – astronomische Verschnitte.
Weiter entfernt von der Hitze, wo die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, bilden sich Moleküle aus Wasser, Methan und Ammoniakeis und kollidieren, um Kerne aus gefrorenem Material zu konstruieren. Innerhalb weniger Millionen Jahre waren eisige Objekte mit der vierfachen Masse der Erde mehr als eine Milliarde Kilometer von der Protosonne entfernt.
Sie kollidierten ebenfalls und zogen einen Teil des Gases an, das vom ursprünglichen Nebel übrig geblieben war, und wurden zu den vier riesigen Planeten des äußeren Sonnensystems. Im Jahr 2019 entdeckte ein Team von Astronomen unter der Leitung von Ko Arimatsu vom National Astronomical Observatory of Japan ein kilometerweites Planetesimal, das jenseits der Neptunbahn noch intakt ist.
Alle kleineren Eisblöcke, die übrig bleiben, sind jetzt die Kometen, die die kalten Außenbezirke unserer Nachbarschaft patrouillieren. Die starken Winde der jungen Sonne beseitigten den größten Teil des verbleibenden Gases und Staubs und hinterließen ein entstehendes Sonnensystem. Diese Böen sind so heftig, dass sie die Entstehung anderer Sterne in der Nähe verhindern können, was Astronomen 2019 zum ersten Mal im Orionnebel entdeckten.
Im Laufe der Zeit drängten und drängten sich die neuen Planeten um ihre Position und schleuderten einige Protoplaneten aus den Gravitationsklauen der Sonne. Andere prallten aufeinander. Nur 100 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde wurde sie von einem Protoplaneten von der Größe des Mars überrumpelt. Die resultierenden Trümmer, die in den Orbit verstreut wurden, verschmolzen schließlich zu unserem Mond.
Warum ist das passiert?
Es ist eine fantastische Geschichte, aber es fehlt ein wichtiger Handlungspunkt:Was hat den Kollaps des Nebels überhaupt erzwungen?
Vielleicht haben wir die Antwort dank der jüngsten Analyse von Asteroidenmaterial gefunden. Diese Gesteins- und Metallklumpen sind übrig gebliebene Brocken von Planetesimalen, die älter als die Planeten selbst waren. Manchmal fallen sie in Form von Meteoriten auf die Erde und bieten eine unschätzbare Zeitkapsel, durch die Wissenschaftler etwas über die Vergangenheit des Sonnensystems erfahren können.
Ein Asteroid ist für einen Astronomen wie ein Fossil für einen Paläontologen – er birgt die Geheimnisse der Geschichte. Das älteste Material in diesen Asteroiden und Meteoriten ist 4,6 Milliarden Jahre alt. So können Astronomen abschätzen, wie lange es her ist, als der Nebel, der das Sonnensystem bildete, begann, sich zusammenzuballen.
Sie enthalten auch Hinweise auf kurzlebige radioaktive Isotope – seltene Versionen bekannter chemischer Elemente wie Aluminium und Eisen. Nehmen Sie Eisen-60. Ein gewöhnliches Eisenatom (Eisen-56) enthält 26 Protonen und 30 Neutronen in seinem Kern, also insgesamt 56.
Eisen-60 hat 26 Protonen und 34 Neutronen, was es schwer und instabil macht. In einem Versuch, die Situation zu stabilisieren, verwandelt sich eines seiner Neutronen in ein Proton, wodurch das Atom von Eisen-60 in eines von Nickel-60 verwandelt wird. Lassen Sie einen Klumpen Eisen-60 2,6 Millionen Jahre lang in Ruhe und die Hälfte seiner Atome wird diese Veränderung durchlaufen haben.
Nach 21 Millionen Jahren werden es mehr als 99 Prozent sein. Da das Sonnensystem fast 5 Milliarden Jahre alt ist, ist jedes Eisen-60 von Asteroiden längst verschwunden. Das stabile Nickel-60, in das es zerfallen ist, bleibt jedoch erhalten.
Im Jahr 2017 analysierte ein Team von Astronomen der Carnegie Institution for Science in Washington, DC, eine Familie von Meteoriten, die als kohlenstoffhaltige Chondriten bekannt sind. Sie fanden genug Nickel-60, um darauf hinzuweisen, dass erhebliche Mengen an Eisen-60 vorhanden waren, als sich die Mutterasteroiden der Meteoriten bildeten.
Es gibt nicht viele Möglichkeiten, wie das Universum große Mengen an Eisen-60 herstellen kann. Es ist bekannt, dass es entsteht, wenn massive Sterne in einer katastrophalen Explosion namens Supernova sterben .
Die Ergebnisse des Carnegie-Teams deuten also auf eine oder mehrere Supernovae hin, die in unmittelbarer Nähe der Sonne explodieren. Das könnte passiert sein, als sich die Sonne bereits gebildet hatte und eine bestehende Scheibe mit Eisen-60 injizierte.
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Aber wenn es passiert wäre, bevor sich die Sonne gebildet hätte, hätten die Stoßwellen die Wolke komprimiert, sie über den Rand der Jeans-Instabilität gekippt und sie auf einen sicheren Weg gebracht, um unseren nächsten Stern zu erschaffen.
Das bedeutet, dass wir alle miteinander verbunden sind. Das Universum ist eine einzige große Recyclingstation:Die Sterne von gestern wurden zu den Planeten von morgen. Es könnte auch erklären, warum dieses Sonnensystem mit Leben endete.
Nur die schwersten Sterne können zur Supernova werden. Für den allerletzten Teil ihres Lebens gibt es in ihren Kernen eine rasende Element-bildende Aktivität. Kohlenstoff wird zu Stickstoff, der sich in Sauerstoff verwandelt. Schließlich wird Silizium zu Eisen zerkleinert, was die Supernova auslöst, wenn der Stern unter seinem eigenen Gewicht nachgibt.
Die Explosion schleudert diese Elemente in den Weltraum, wo sie sich mit umgebendem Material vermischen und riesige interstellare Wolken – Nebel – bilden. Der Sauerstoff, den Sie atmen, und das Eisen in Ihren roten Blutkörperchen, die diesen Sauerstoff derzeit durch Ihren Körper transportieren, wurden in Sternen hergestellt.
Der Sonnennebel war mit Splittern von Sternexplosionen übersät und reicherte ihn mit diesen schweren Elementen an. Schließlich landete ein Teil davon als Teil der Erde, als Material in der protoplanetaren Scheibe der Sonne unter der Schwerkraft zusammenkam.
Kurz nach der Entstehung unseres Planeten verwandelte ein noch unbekannter Prozess eine Suppe dieser Elemente in die ersten Lebensformen. Ohne Supernovae wären wir einfach nicht hier. Kein Kohlenstoff, kein Sauerstoff, kein Eisen.
Wie der amerikanische Astronom Carl Sagan einmal sagte:„Wir sind alle aus Sternenmaterial gemacht.“ Es ist der Kreislauf des Lebens, der sich auf den größten Bühnen abspielt. Der Tod eines Sterns führt zur Geburt eines anderen.