US-Astronomen untersuchen die mögliche Existenz eines Planeten, der aus dem Sonnensystem verschwunden ist

Die Umlaufbahnen der Planeten im Sonnensystem erscheinen heute stabil, doch diese Konfiguration ist das Ergebnis einer Milliarden Jahre währenden Entwicklung. In den frühesten Phasen ihrer Entstehung standen die Planeten in gravitationsbedingter Wechselwirkung mit Gas, Staub, Asteroiden und Planetesimalen. Diese Wechselwirkungen führten zu Bahnwanderungen, Änderungen der Exzentrizität und einer Umverteilung des Drehimpulses unter den Körpern des Systems.

Die Riesenplaneten durchliefen in den ersten paar hundert Millionen Jahren des Sonnensystems wahrscheinlich eine Phase der Bahninstabilität. Modelle deuten darauf hin, dass diese Planeten Wanderungen und Gravitationsbegegnungen durchliefen, die ihre Umlaufbahnen veränderten. Diese Zeit dürfte eine chaotische Umgebung geschaffen haben, in der kleine Körper verstreut und die Struktur der äußeren Regionen des Sonnensystems verändert wurden. Eine der Herausforderungen dieser Modelle besteht jedoch darin, zu erklären, wie viele Monde diese turbulente Phase unbeschadet überstanden haben.

Theoretisch könnten Gravitationsstörungen mehrere Monde destabilisieren oder sogar aus ihren Umlaufbahnen schleudern, doch genau das haben wir bisher nicht beobachtet. Im Rahmen einer neuen Studie wurden numerische Simulationen durchgeführt, um dieses Problem zu untersuchen, und dabei wurde eine mögliche Lösung gefunden, die einen zusätzlichen Riesenplaneten im frühen Sonnensystem beinhaltet. Den Modellen zufolge könnte neben Uranus und Neptun ein dritter Riesenplanet existiert haben, der an den frühen Gravitationswechselwirkungen beteiligt war.

Die Entstehung des Sonnensystems

Das Sonnensystem entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren durch den gravitativen Kollaps einer Molekülwolke aus Gas und Staub. Während dieses Prozesses ordnete sich das Material zu einer protoplanetaren Scheibe um die junge Sonne an, in der sich Planetesimale und Protoplaneten bildeten. Während die Körper durch Akkretion wuchsen, kam es häufig zu Kollisionen, die ihre Flugbahnen veränderten. Auch die Riesenplaneten standen in Wechselwirkung mit dem Gas der Scheibe und den Populationen kleinerer Körper und wanderten in verschiedene Regionen des Sonnensystems ab.

Aktuelle dynamische Modelle deuten darauf hin, dass die Riesenplaneten möglicherweise ihre Position verändert haben, bevor sie ihre heutigen, stabileren Umlaufbahnen erreichten. Während dieser Zeit wurden viele Planetesimale in den interstellaren Raum geschleudert, während andere mit Planeten kollidierten oder zu Monden wurden. Erst nachdem diese Körper verschwunden waren und die Hauptquellen der gravitativen Störungen nachgelassen hatten, begannen sich die Umlaufbahnen zu stabilisieren.

Die Monde von Jupiter und Uranus

Die Monde der Riesenplaneten stellen jedoch eine der größten Herausforderungen für Modelle zur Entwicklung des Sonnensystems dar. In Phasen der Bahninstabilität unter den Gasriesen könnten enge gravitative Begegnungen zwischen den Planeten starke Störungen hervorrufen, die die Umlaufbahnen ihrer Monde verändern würden. Theoretisch hätten viele Monde aus ihren Umlaufbahnen geschleudert, von anderen Planeten eingefangen oder sogar vollständig aus dem Sonnensystem vertrieben werden müssen.

Auch heute noch können wir reguläre Monde mit stabilen, geordneten Umlaufbahnen beobachten, die diese Phase offenbar überstanden haben. Die Umlaufbahnen einiger der wichtigsten Monde lassen auf eine dynamische Stabilität schließen, die seit Milliarden von Jahren besteht. Das Fortbestehen dieser Monde deutet darauf hin, dass die chaotische Phase des Sonnensystems möglicherweise weniger zerstörerisch war, als manche Modelle vorhersagen.

Was die Simulationen zeigen

Um zu untersuchen, wie die Monde der Riesenplaneten die Phase der Instabilität im Sonnensystem überstanden haben, führten Forscher numerische Simulationen der Bahnentwicklung der äußeren Planeten durch. Im Rahmen der Studie wurden 122 Szenarien analysiert, die die derzeit im äußeren Sonnensystem beobachteten Merkmale am besten nachbilden. Die Simulationen verfolgten die Gravitationsdynamik zwischen Planeten, Monden, der Sonne und kleinen Himmelskörpern über Millionen von Jahren hinweg.

Neben den traditionellen Szenarien mit den vier bekannten Riesenplaneten testeten die Forscher auch Szenarien, die mit fünf oder sechs Riesenplaneten begannen. Dieser Ansatz basiert auf Modellen, die auf die Existenz von ein oder zwei weiteren Riesenplaneten im Sonnensystem hindeuten, die später aus dem System ausgestoßen wurden. Im Rahmen der Simulationen untersuchten die Wissenschaftler, wie sich diese unterschiedlichen Konfigurationen auf die Stabilität der Monde von Jupiter und Uranus auswirkten.

Ein verschwundener Planet im Sonnensystem?

Die Simulationsergebnisse zeigten, dass das gleichzeitige Fortbestehen der Mondsysteme von Jupiter und Uranus weitaus schwieriger zu erklären ist als erwartet. In den meisten der analysierten Szenarien veränderten die mit der Instabilität der Riesenplaneten verbundenen Gravitationsstörungen die Umlaufbahnen der Monde drastisch. In vielen Fällen wurden die Monde aus ihren ursprünglichen Umlaufbahnen geschleudert, kollidierten mit ihren Planeten oder wiesen Konfigurationen auf, die mit den heute beobachteten nicht vereinbar waren.

Astronomen in den Vereinigten Staaten haben berechnet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Mondsysteme von Jupiter und Uranus erhalten bleiben, bei weniger als 15 % liegt. Ein Szenario konnte jedoch die aktuellen Beobachtungen des Sonnensystems erklären. Dieses Szenario geht davon aus, dass während der Instabilitätsphase ein weiterer Riesenplanet vorhanden war. In diesem Modell trug der zusätzliche Planet dazu bei, die Gravitationswechselwirkungen neu zu verteilen und so die zerstörerischsten Auswirkungen auf die Monde zu verringern. Später, nach der Neuordnung des äußeren Sonnensystems, wäre dieses Objekt dann ausgestoßen worden.

Quellenhinweis:

Matthew S. Clement, Nathan A. Kaib, André Izidoro, Rogerio Deienno. (2026). The fragility of the Uranian moons during the giant planet instability.