Ceres hat sich wahrscheinlich weiter draußen im Sonnensystem gebildet und ist nach innen gewandert

Als der sizilianische Astronom Giuseppe Piazzi 1801 Ceres entdeckte, dachte er, es sei ein Planet. Astronomen wussten damals nichts über Asteroiden. Jetzt wissen wir, dass es eine enorme Menge von ihnen gibt, die hauptsächlich im Asteroidenhauptgürtel zwischen Mars und Jupiter leben.

Ceres hat einen Durchmesser von etwa 1.000 km und macht ein Drittel der Masse des Asteroidenhauptgürtels aus. Es stellt die meisten anderen Körper im Gürtel in den Schatten. Jetzt wissen wir, dass es sich um einen Planeten handelt – wenn auch einen Zwergplaneten –, obwohl seine Nachbarn hauptsächlich Asteroiden sind.

Aber was macht ein Zwergplanet im Asteroidengürtel?

Ein neuer Forschungsartikel liefert die Antwort: Ceres ist nicht im Asteroidengürtel entstanden. Es bildete sich weiter draußen im Sonnensystem und wanderte dann an seine jetzige Position. Dies ist nicht die erste Studie, die zu diesem Schluss kommt, aber sie verleiht der Idee Gewicht.

Der Artikel ist „Dynamischer Ursprung des Zwergplaneten Ceres”, und es wurde in der Zeitschrift Icarus veröffentlicht. Hauptautor ist Rafael Ribeiro de Sousa, Physikprofessor an der Sao Paulo State University in Brasilien. Andere Co-Autoren kommen von derselben Universität sowie aus Frankreich und den USA.

(Hinweis: Ceres wird als Zwergplanet, Protoplanet und manchmal als Asteroid bezeichnet. Es hat keinen Sinn, sich daran aufzuhalten. Er wurde 2006 offiziell als Zwergplanet eingestuft.)

Ceres ist eine von dreien Zwergenplaneten oder Protoplaneten im Asteroidengürtel. Die anderen beiden sind Vesta und Pallas. Ein vierter großer Körper, Hygiea, hat einen Durchmesser von 434 km und könnte ebenfalls ein Zwergplanet sein. Diese vier größten Körper machen die Hälfte der Masse des Asteroidengürtels aus.

Dies sind die vier größten Objekte im Asteroidengürtel.  Ceres ist die einzige, die massiv genug ist, damit die Eigengravitation eine sphäroide Form beibehält.  Bildnachweis: ESO/M.  Kornmesser/Vernazza et al./MISTRAL-Algorithmus (ONERA/CNRS)
Dies sind die vier größten Objekte im Asteroidengürtel. Ceres ist die einzige, die massiv genug ist, damit die Eigengravitation eine sphäroide Form beibehält. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser/Vernazza et al./MISTRAL-Algorithmus (ONERA/CNRS)

Das meiste, was wir über Ceres wissen, stammt von der NASA Dämmerungsmission. Dawn war die erste Raumsonde, die zwei außerirdische Körper besuchte, und die erste, die einen Zwergplaneten umkreiste. Dawn besuchte sowohl Vesta als auch Ceres, bevor dem Raumschiff im Oktober 2018 der Treibstoff ausging. Jetzt ist es ein Wrack in einer stabilen Umlaufbahn um Ceres.

Eine künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Dawn, die sich Ceres nähert.  Bild: NASA/JPL-Caltech.
Eine künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde Dawn mit ihrem Ionenantriebssystem im Anflug auf Ceres. Bild: NASA/JPL-Caltech.

Die Terminologie und Beschreibungen der größten Objekte im Asteroidengürtel können verwirrend sein, aber Ceres unterscheidet sich von den anderen drei. Ceres ist der einzige Körper im Gürtel, der massiv genug ist, um eine sphäroide Form beizubehalten. Ceres hat auch eine vorübergehende Atmosphäre, die als Exosphäre bezeichnet wird. Sonnenlicht sublimiert Wassereis und Ammoniakeis zu Dampf, aber die Schwerkraft des Zwergplaneten ist zu schwach, um es festzuhalten. Dies ist ein wichtiger Hinweis auf den Ursprung von Ceres, da Asteroiden normalerweise keinen Dampf abgeben.

Das Vorhandensein von Ammoniak ist ebenfalls ein Hinweis.

Verbindungen wie Ammoniak kondensieren jenseits der Frostgrenze des Sonnensystems.  Da Ceres Ammoniak enthält, bildete es sich wahrscheinlich jenseits der Frostgrenze.  Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech, InvaderXan von http://supernovacondensate.net/.
Verbindungen wie Ammoniak kondensieren jenseits der Frostgrenze des Sonnensystems. Da Ceres Ammoniak enthält, bildete es sich wahrscheinlich jenseits der Frostgrenze. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech, InvaderXan von http://supernovacondensate.net/.

Kometen enthalten flüchtiges Eis wie Ammoniak, das erhaben ist, wenn die Sonne es erhitzt. Das ist es, was den Schweif und das Koma des Kometen erzeugt. Aber Kometen kommen aus den kalten äußeren Regionen des Sonnensystems, wo sie das flüchtige Eis angesammelt hätten. Da Ceres flüchtige Stoffe wie ein Komet gefroren hat, deutet dies darauf hin, dass sie ebenfalls aus den kälteren Regionen des Sonnensystems stammt.

„Das Vorhandensein von Ammoniakeis ist ein starker Beobachtungsbeweis dafür, dass Ceres möglicherweise in der kältesten Region des Sonnensystems jenseits der Frostgrenze entstanden ist, bei Temperaturen, die niedrig genug sind, um Kondensation und Verschmelzung von Wasser und flüchtigen Substanzen wie Kohlenmonoxid zu verursachen [CO]Kohlendioxid [CO2] und Ammoniak [NH3]“, sagte Ribeiro de Sousa in einer Pressemitteilung.

Die Grenze zwischen dem kälteren äußeren Sonnensystem und dem wärmeren inneren Sonnensystem wird als Frostlinie bezeichnet. Es gibt spezifische Frostlinien für verschiedene flüchtige Stoffe, die bei unterschiedlichen Temperaturen gefrieren, aber Astrophysiker sprechen der Einfachheit halber von einer einzigen Frostlinie. Die Frostgrenze liegt jetzt in der Nähe von Jupiters Umlaufbahn, aber sie war nicht immer dort. Es hat sich bewegt, als sich das Sonnensystem entwickelt hat. Der Sonnennebel war in den frühen Tagen undurchsichtig, und die Wärme der Sonne reichte nicht so weit. Die Sonne war damals auch weniger energiereich, sodass die Frostgrenze näher an der Sonne lag.

Künstlerische Illustration eines jungen, sonnenähnlichen Sterns, der von seiner Scheibe aus Gas und Staub umgeben ist.  Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T.  Pyle
Künstlerische Illustration eines jungen, sonnenähnlichen Sterns, der von seiner Scheibe aus Gas und Staub umgeben ist. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

Das Wachstum der Riesenplaneten beeinflusste auch die Lage der Frostgrenze. „Die intensive Gravitationsstörung, die durch das Wachstum dieser Planeten verursacht wird, könnte die Dichte, den Druck und die Temperatur der protoplanetaren Scheibe verändert und die Frostlinie verschoben haben. Diese Störung in der protoplanetaren Gasscheibe könnte dazu geführt haben, dass die expandierenden Planeten in Umlaufbahnen näher an der Sonne wanderten, als sie Gas und Feststoffe annahmen“, sagte Co-Autor Ernesto Vieira Neto.

„In unserem Artikel schlagen wir ein Szenario vor, um zu erklären, warum sich Ceres so sehr von benachbarten Asteroiden unterscheidet. In diesem Szenario begann sich Ceres in einer Umlaufbahn weit hinter Saturn zu bilden, wo Ammoniak reichlich vorhanden war. Während der Wachstumsphase des Riesenplaneten wurde er als Migrant aus dem äußeren Sonnensystem in den Asteroidengürtel gezogen und hat bis jetzt 4,5 Milliarden Jahre überlebt“, sagte Ribeiro de Sousa.

Das Team führte eine große Anzahl von Computersimulationen durch, um die Idee zu testen. Sie simulierten die Bildung von Riesenplaneten innerhalb der protoplanetaren Scheibe der Sonne, einschließlich Jupiter und Saturn. Sie enthielten auch einige embryonale Planeten, die als Vorläufer von Uranus und Neptun dienen sollten. Dann fügten sie eine Gruppe von Objekten mit ähnlichen Zusammensetzungen und Größen wie Ceres hinzu. Ihre Aufnahme basiert auf der Annahme, dass Ceres eines der frühen Planetesimale des Sonnensystems ist, Objekte auf dem Weg, vollwertige Planeten zu werden.

„Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass es in der Vergangenheit mindestens 3.600 Ceres-ähnliche Objekte außerhalb der Umlaufbahn des Saturn gab. Mit dieser Anzahl von Objekten zeigte unser Modell, dass eines von ihnen in den Asteroidengürtel transportiert und eingefangen worden sein könnte, in einer Umlaufbahn, die der aktuellen Umlaufbahn von Ceres sehr ähnlich ist.“

Rafael Ribeiro de Sousa, Hauptautor, Sao Paulo State University.

„Unsere Simulationen zeigten, dass die Entstehungsphase der Riesenplaneten sehr turbulent war, mit gewaltigen Kollisionen zwischen den Vorläufern von Uranus und Neptun, dem Herausschleudern von Planeten aus dem Sonnensystem und sogar der Invasion der inneren Region durch Planeten mit mehr als der dreifachen Masse der Erde Masse. Außerdem verstreute die starke Gravitationsstörung Ceres-ähnliche Objekte überall. Einige haben möglicherweise die Region des Asteroidengürtels erreicht und stabile Umlaufbahnen erlangt, die in der Lage sind, andere Ereignisse zu überleben“, sagte Ribeiro de Sousa.

Diese Abbildung aus der Studie zeigt die vier Schritte, die erforderlich sind, um ein Objekt wie Ceres in den Asteroidengürtel zu implantieren.  Bildnachweis: de Sousa et al.  2022.
Diese Abbildung aus der Studie zeigt die vier Schritte, die erforderlich sind, um ein Objekt wie Ceres in den Asteroidengürtel zu implantieren. Bildnachweis: de Sousa et al. 2022.

Die Forscher sagen, dass vier Schritte erforderlich sind, damit ein Ceres-ähnliches Objekt in den Asteroidengürtel implantiert wird. Die erste ist eine schnelle radiale Mischphase in der Position der Planetesimale in der äußeren Planetesimalscheibe. Der zweite ist, wenn der Ceres-Kandidat in Resonanz mit Riesenplaneten gefangen wird. Der dritte Schritt ist eine chaotische Phase, in der das Ceres-ähnliche Objekt auf andere „Eindringlinge“ treffen kann, die seine Exzentrizität erhöhen oder verringern und das Objekt in stabilere Regionen im inneren Asteroidengürtel zerstreuen können. Die chaotische Phase umfasst auch Gaswiderstand und gasförmige dynamische Reibung, die die Exzentrizität und Neigung des Ceres-Kandidaten verändern und ihn in seine aktuelle Position implantieren können. In der vierten Phase wird das Gas aus der protoplanetaren Scheibe entfernt, Eindringlinge werden entfernt, Ceres wird aus der Resonanz mittlerer Bewegung entfernt und die Implantation wird stabil.

Die Simulationen des Teams zeigten auch, dass Ceres nur eines von vielen Objekten dieser Art ist, die in den frühen Tagen des Sonnensystems existierten. „Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass es in der Vergangenheit mindestens 3.600 Ceres-ähnliche Objekte außerhalb der Umlaufbahn des Saturn gab. Mit dieser Anzahl von Objekten zeigte unser Modell, dass eines von ihnen in den Asteroidengürtel transportiert und eingefangen worden sein könnte, in einer Umlaufbahn, die der aktuellen Umlaufbahn von Ceres sehr ähnlich ist“, sagte Ribeiro de Sousa.

Dieses Bild von Ceres gibt ungefähr wieder, wie die Farben des Zwergplaneten für das Auge erscheinen würden.  Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA
Dieses Bild von Ceres gibt ungefähr wieder, wie die Farben des Zwergplaneten für das Auge erscheinen würden. Quelle: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Dies sind nicht die ersten Forscher, die auf eine Zahl wie 3.600 Ceres-ähnliche Objekte kommen. Andere haben Krater und die Anzahl von Objekten jenseits des Saturn und im Kuipergürtel untersucht, um zu ihren Ergebnissen zu kommen. Diese Studie bestätigt frühere Ergebnisse und unterstützt unser Verständnis darüber, wie sich das Sonnensystem gebildet und entwickelt hat. „Unser Szenario ermöglichte es uns, die Zahl zu bestätigen und die orbitalen und chemischen Eigenschaften von Ceres zu erklären. Die Studie bestätigt erneut die Genauigkeit der neuesten Modelle zur Entstehung des Sonnensystems“, sagte er.

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