3  Unser Sonnen- und Planetensystem: eines unter vielen [1:12:36]

Seit bald 30 Jahren wissen wir, dass mindestens Planeten nichts exklusives unseres Sonnensystems sind, sondern – ganz im Gegenteil – Planeten eine ziemlich typische Begleiterscheinung von Sternen sind. Obwohl wir nur die Nachbarschaft unseres Sonnensystems abgesucht haben, und das nur mit einer begrenzten Methodik, kennen wir schon bald 5000 Exoplaneten. Zukünftige Geochemiker können sich also nicht nur auf die Untersuchung terrestrischer Planeten, Monde und Asteroide sowie Kometen in unserem Sonnensystem freuen – sofern auf Millionen mehr terrestrischer Körper quer durch unsere und andere Galaxien.
Diese Einheit ist zwar etwas länger, dafür enthält sie viele inspirierende Eindrücke nicht nur extrasolarerer Objekte, sondern auch aller Objekte in unserem Sonnensystem – denn es ist an der Zeit kennenzulernen, was es alles – praktisch im Wohnzimmer unserer Erde – gibt. Vieles davon ist uns sogar direkt zugänglich, und von essentieller Bedeutung, wenn wir die Prozesse, die Entsetzung und die Wandlung der Erde verstehen wollen. Ganz zentral dabei ist die Zusammensetzung eines bestimmten Meteoriten-Typen (CI), welche wir in zwei Einheiten genauer kennen lernen. Dieses Wissen wird Dich in allen Details durch das gesamte Geochemie und Mineralogie-Studium begleiten.

3.1 Modellierung der Stern-Bildung in Molekülwolken [4:23]

Sterne – inklusive unserer Sonne – bilden sich Clustern und nicht als einzelne Sterne. Diese Sternentwicklung in Clustern aus einer kollabierenden Molekülwolke kann in Modellen simuliert werden. Dabei kann beispielsweise verfolgt werden wie viele Sterne eine protoplanetare Scheibe entwickeln, und wie stabil und langlebig solche Scheiben sind. Allerdings müssen diese Modelle noch vorsichtig interpretiert werden, da diese wahrscheinlich noch zu limitiert sind, um tatsächlich quantitativ ausgewertet zu werden, zumal in Bezug auf protoplanetare Scheiben.

Was ist der Unterschied zwischen kleineren Sternbildungsbereichen und massiven Stern-Clustern?

In kleineren Sternbildungsbereichen können eher Sterne mit protoplanetaren Scheiben entstehen, wohingegen diese in massiven Stern-Clustern schnell wieder durch den Einfluss benachbarten Sterne zerstört werden – sofern sich protoplanetare Scheiben dort überhaupt bilden.

Welche quantitativen Schlüsse können aus den Simulationen gezogen werden?

Im Moment eher in Bezug auf die Sternbildung. Die Bildung und Häufigkeiten protoplanetarer Scheiben können eher nicht quantitativ interpretiert werden.

Unsere Sonne bildete sich …

✗… als Einzelstern

✗… in einem massiven Sternen-Cluster

✓… in der Nachbarschaft mit anderer Sterne

Die Simulationen sind künstlerische Animationen, ohne astrophysikalische Basis.

✗Wahr

✓Falsch

Wie groß in etwa war die Molekülwolke, aus der unser Sonnensystem entstand?

✗ca. 0.1 Lichtjahr

✗ca. 0.5 Lichtjahr

✓ca. 1 Lichtjahr

✗ca. 0.1 Lichtjahr

✗ca. 15 Lichtjahr

3.2 Auf der Suche nach Exoplaneten [12:58]

Seit Ende des letzte Jahrhunderts findet man zunehmend mehr Planeten um andere Sterne. Nicht nur einzelne Planeten sondern teils ganze Planetensysteme. Dazu verwendet man verschiedene Methoden – eine der erfolgreichsten ist die Veränderung der Lichtkurve des Sterns, wenn ein Planet vor dem Stern vorüber zieht. Man benötigt jedoch einen möglichst dunklen Himmel, weshalb die Jagd nach immer neuen Planeten hauptsächlich mit Weltraum-Teleskopen statt findet – und selbst die sind Millionen von Kilometern von der Erde entfernt. Mittlerweile wurden Tausende Exoplaneten aufgespürt, darunter viele erdähnliche.

Welche Art von Planeten wurden als erste entdeckt?

Massereiche, d.h. große Planten, vergleichbar unseren Gasplaneten.

Beschreibe die ›Transit-Methode‹ zum Aufspüren von Exoplaneten.

Ein Planet zieht vor dem Stern vorbei und schattet dabei etwas dessen Licht ab – praktisch eine Mini-Sonnenfinsternis. Die Lichtkurve des Stern knickt etwas ein.

Wann wurde der erste Planet um einen sonnenähnlichen Stern entdeckt?

✗1895

✗1985

✓1995

✗2005

Wie viele Planeten wurden bislang ca. entdeckt?

✓4.500

✗45.000

✗450.000

Mit dem James Webb Telescope kann sogar die Atmosphäre von Exoplaneten untersucht werden.

✓Wahr

✗Falsch

3.3 Existiert Leben auf Exoplaneten (oder Monden)? [7:01]

Von den bislang Tausenden entdeckter Exoplaneten gibt es etliche, welche in der habitablen Zone um ihren Stern laufen. Die habitable Zone ist der Bereich um einen Stern, in dem flüssiges Wasser stabil ist – also nicht zu nah am Stern, und auch nicht zu weit von diesem entfernt. In manchen System gibt es gleich mehrere Planeten in der habitablen Zone um den Stern. Die meisten Planeten werden mit der Transitmethode entdeckt, wofür Bahnebene eines Planeten parallel zur Blickrichtung sein muss. Das bedeutet: viele Planeten waren nur deshalb nicht entdeckt, da deren Bahnebene nicht parallel zur Blickrichtung liegt – was für die meisten Planeten zutreffen sollte. Außerdem wurde bislang nur in der Nachbarschaft unseres Sonnensystems nach Planeten gesucht. Die Zahl der Exoplaneten nur in unserer Galaxie dürfte in die Millionen – oder noch viel mehr gehen. Die Chance auf außerirdisches Leben scheint daher recht groß.

Definiere die ›habitable Zone‹.

Der Bereich um einen Stern in dem flüssiges Wasser stabil ist. Also weder zu nah am Stern, noch zu von diesem entfernt. Außerdem ca. 1-2 Erdmassen, damit die Gravitation nicht zu groß wird.

Welches ist der entfernteste Planet, der bislang vermutlich entdeckt wurde?

In der Galaxie M51, bislang vermutet, wartet noch auf Bestätigung.

Mars befindet sich in der habitable Zone unseres Sonnensystems.

✓Wahr

✗Falsch

Könnte Leben auf Monden von Planeten existieren?

✓Wahr

✗Falsch

Könnte Leben auf Monden eines Planeten in unserm Sonnensystem existieren?

✓Wahr

✗Falsch

3.4 Was alles unser Sonnensystem bevölkert [30:47]

So langsam haben wir uns genügend mit dem Universum und Objekten außerhalb unseres Sonnensystems beschäftigt. Zeit, die Körper unseres Sonnensystems kennenzulernen, und was es alles in unserem Sonnensystem gibt. Erstaunlicher- und noch viel mehr erfreulicherweise gelangt doch doch einiges Material aus unserem Sonnensystem auf die Erde, wo wir es im Labor mit sehr hoher Präzision messen, untersuchen und studieren können. In unserem Sonnensystem gibt es: (i) präsolare Körner, (ii) Interplanetarer Staub/Cosmic Spherules/Zodiakal-Licht, (iii) Meteoroide, (iv) Kometen, (v) Asteroide, (vi) Monde, (vii) Planeten und natürlich (viii) die Sonne. Darüber hinaus gibt es ›Teilchen & Felder‹, z.B. der Sonnenwind, sowie das Magnetfeld der Sonne, aber auch von Planeten. Schließlich gibt es mittlerweile auch eine ganze Reihe an Raumfahrzeuge, welche auf Forschungsreise durch das Sonnensystem geschickt wurden und laufend mehr geschickt werden.

Nenne mindestens 6 Objekte, welche unser Sonnensystem bevölkern.

1. präsolare Körner, (ii) Interplanetarer Staub/Cosmic Spherules/Zodiakal-Licht, (iii) Meteoroide, (iv) Kometen, (v) Asteroide, (vi) Monde, (vii) Planeten und natürlich (viii) die Sonne. Darüber hinaus gibt es ›Teilchen & Felder‹, z.B. der Sonnenwind, sowie das Magnetfeld der Sonne, aber auch von Planeten. Schließlich gibt es mittlerweile auch eine ganze Reihe an Raumfahrzeugen.

Woher kommen die am weitesten entfernten Körper unseres Sonnensystems?

Langperiodische Kometen aus der ca. 1 LJ entfernten Oortschen Wolke, die das Sonnensystem sphärisch umgibt.

Wie weit ist in etwa der Asteroidengürtel von der Sonne entfernt:

✓ca. 2 - 4 AE

✗ca. 1 - 3 AE

✗ca. 1 - 4 AE

✗zwischen Mars und Saturn

✓zwischen Mars und Jupiter

Ein Meteor ist …

✓… die Leuchterscheinung am Himmel

✗… ein Bruchstück eines Asteroiden auf der Erdoberfläche

✗… ein Bruchstück eines Asteroiden der durch den interplanetaren Raum fliegt

Die gesamte Masse des Asteroidengürtels beträgt etwa:

✓1/3 der Mondmasse

✗1/3 der Erdmasse

✗3 x der Mondmasse

3.5 Die fundamentale Element-Korrelation Solare Photosphäre vs. CI Chondrite [10:13]

Dieser wohl fundamentalste Plot zeigt, weshalb die Meteoritenforschung von zentraler Bedeutung ist. Meteorite, und speziell die CI Chondrite, haben weitgehend dieselbe Zusammensetzung wie die Sonne, außer für H, He und eine Reihe volatiler Elemente. Da die Sonne fast 99.9% der Gesamtmasse unseres Sonnensystems enthält, ist ihre Zusammensetzung sehr wahrscheinlich repräsentativ für das gesamte Sonnensystem. Weil CI Chondrite nun gleich zusammen gesetzt sind wie die Sonne, sollten auch diese eine für unser gesamtes Sonnensystem repräsentative Zusammensetzung haben. Daher können wir die Zusammensetzung des Sonnensystem sehr genau im Labor bestimmen in dem wir CI Chondrite untersuchen. CI Chondriten sind deshalb auch die Standard-Referenz um geochemische Prozesse zu studieren.

Weshalb sind CI Chondrite von fundamentaler Bedeutung?

Sie haben die nahezu identische Zusammensetzung wie die Sonne. Da die Sonne mehr als 99.9% der Masse des Sonnensystems auf sich vereinigt, sollte die Zusammensetzung der Sonne repräsentativ für das Sonnensystem sein – und damit auch die CI Chondrite.

Welche Elemente haben unterschiedliche Konzentrationen in der Sonne und den CI Chondriten?

Volatil und/oder inerte Elemente: H, He, N, C, O, Edelgase.

Die Zusammensetzung welches Teils der Sonne vergleichen wir genau mit CI Chondriten?

✗Die Chromosphäre

✓Die Photosphäre

✗Die Protuberanzen

✗Die Korona

CI Chondrite werden auch als Referenz in der Geochemie verwendet.

✓Wahr

✗Falsch

Li in Chondriten ist anders als in der Sonne weil …

✗… es in der Sonne produziert wird, und daher scheinbar in Meteoriten verarmt ist

✗… es in der Sonne verbraucht wird, und daher scheinbar in Meteoriten verarmt ist

✗… es in der Sonne produziert wird, und daher scheinbar in Meteoriten angereichert ist

✓… es in der Sonne verbraucht wird, und daher scheinbar in Meteoriten angereichert ist

3.6 Häufigkeit der Elemente in CI Chondriten [7:14]

Das häufigste Element ist O. Danach folgen die 3 etwa gleich häufigen Elemente Mg, Si und Fe, gefolgt von S. Eine Größenordnung darunter liegen Al, Ca und Ni. Darum sind auch CAIs selten. Etwas weniger häufig als diese sind Na, Cr und Mn. All diese Elemente korrespondieren mit den den häufigen Silikaten, Metall, Sulfid und eben den CAI-Mineralen. 6 Größenordnungen unter den Hauptelementen Mg, Si und Fe liegen die Fe, die deshalb auch in ppm angegeben sind.

Nenne 5 Elemente, die in etwa 2 Größenordnungen seltener sind als Mg/Si/Fe.

P, Cl, K, Ti, Mn, Co, Zn, Cu

Nenne die 10 häufigsten Elemente in CI Chondriten.

O, Mg, Si, Fe, S. Etwa eine Größenordnung unter Mg/Si/Fe: Al, Ca, Ni. Danach z.B. Na, Cr, N. Seltener genannt, jedoch nur etwas seltener als S ist H.

Weshalb gibt es nur max. ca. 3-4 vol% CAIs in Chondriten?

✗Da sie nur bei sehr hohen Temperaturen kondensieren.

✓Da Ca,Al etwa eine Größenordnung seltener sind als Mg/Si/Fe.

✗Da Ca,Al etwa zwei Größenordnungen seltener sind als Mg/Si/Fe.

✗Da Ca,Al etwa gleich häufig sind wie Mg/Si/Fe, aber sehr viel Ca,Al in der Chondren-Mesostasis steckt.

Ca. wie viel seltener als Mg/Si/Fe sind die Seltenen Erden?

✓Etwa 6 Größenordnungen

✓Etwa 10^-6 Größenordnungen

✗Etwa 10⁶ Größenordnungen

Weshalb zeigt die CI Zusammensetzung ein Zick-Zack Muster?

✗Aufgrund der Normierung auf Mg und CV Chondrite.

✓Da Elemente mit gerader Ordnungszahl stabiler sind.

✗Die Unterschied fallen nur aufgrund der log-Skalierung auf.

✗Da nur Elemente mit ungeraden Neutronenzahlen dargestellt sind.

Päsenzphase

Ein Vortragsabend voller Fragen

Du hast eben einen sehr schönen Vortrag über unser Sonnensystem, dessen Körper, sowie deren chemische Zusammensetzung gehalten, sowie eine kleine Einleitung zur Entstehung des Universums usw. gegeben. Nachdem der verdiente Applaus verebbt, geht es in die Fragerunde. Eine ganze Reihe von Personen hat gut aufgepasst und stellen sich nun der Reihe nach ans Mikro um noch mal mit Fragen nachzuhaken. Die wirst Du gewohnt souverän beantworten, natürlich nicht in zwei Worten, sondern mit klaren, gut begründeten Statements – alternativ, bzw. zusätzlich auf dem Whiteboard neben Dir. Im Grunde sind Deine Antworten kleine Mini-Vorträge vor den ergriffenen Frage stellenden. Wenn Du Dir unsicher bist, holst Du Dir schnell etwas Rückhalt bei Deinem Kosmo-Chatbot:

Aufgaben
Eine ältere Dame Die Erde besteht ja aus Mineralen. Welche Elemente sind denn in diesen Mineralen am Häufigsten? Und welche Minerale sind besonders häufig?
Ein junger Mann mit Hut Wie unterscheiden sich interplanetarer Staub und Asteroide – außer in der Größe …?
Ein kleines Mädchen mit Ihrer Mutter Wann haben sich die Elemente gebildet, aus denen unser Sonnensystem gemacht ist?
Ein Kind im Rollstuhl In ›Per Anhalter durch die Galaxis‹ werden die Bewohner des Planeten Magrathea damit beauftragt die Erde zu bauen. Wenn ich mir einen eigenen Planeten bauen will, einen billigen, mit nicht vielen Elementen, welche vielleicht 10-15 Elemente bräuchte ich dafür?
Eine diverse Person mit Scheitel Warum untersucht man Meteorite, wenn man etwas über die Erde erfahren will? Die kommen doch von wo total anders her?
Eine Person in der Adoleszenz Ich habe da kurz nicht aufgepasst: Was für Exoplaneten hat man bislang gefunden? Eine verschlafene Studierende aus dem ersten Semester Mathematik Astronomische Einheit, Lichtjahr, Parsec … was es nicht alles gibt – wie lässt sich das denn ineinander umrechnen?
Eine Frau mit Brille Weshalb gibt es eigentlich so große Unterschiede bei den Häufigkeiten der verschiedenen Elemente?
Ein Jugendlicher mit Handy Im Internet steht, aus Meteoriten können wir auch etwas über Element-Bildung in anderen Sternen erfahren – wie geht das denn?
Die zu spät Gekommene Vielleicht wurde das ja gesagt (wurde es nicht, Anm. d. Red.): Wie ist denn die Gesamtzusammensetzung unserer Erde?
Ein einsamer, älterer Herr Das Kind hat vorhin so schön nach dem Bauen von Planeten gefragt: wenn es da dann auch Leben geben soll – in was für ein Sonnensystem müsste man denn so einen Planeten setzen?
Ein Schlaukopf Wenn es präsolare Körner gibt: könnten wir nicht auch prägalaktische Körner finden? und wie würden wir die erkennen?
Eine Skeptikerin Ich kann mir nicht vorstellen, dass man weiß, wie Mars oder Venus zusammen gesetzt sind. Woher soll man das denn wissen können?
Ein Eremit Die Größe des Universums scheint mir doch ganz unvorstellbar. Wie kann man sich das alles denn vorstellen? Es hört sich alles so leer an.