Habitable Planeten konnten vor den ersten Galaxien entstehen – Simulationen zeigen frühe Planetesimale in wasserreichen Scheiben

Der simulierte Kern umfasst im betrachteten Bereich etwa eine Sonnenmasse und besitzt einen Metallgehalt von rund acht Prozent des solaren Werts. Rund 24.000 Jahre nach Beginn des Kollapses bildet sich im Modell ein Protostern. Etwa 1.000 Jahre später entsteht darum eine rotierende Scheibe, die durch einströmendes Material rasch an Masse gewinnt.

„Unsere neue Arbeit, bei der mein Doktorand Chris Jessop den ersten Teil der Simulationskette durchgeführt hat, zeigt, dass die Vorläufer terrestrischer Planeten 100 Millionen Jahre nach dem Urknall um massearme, langlebige Sterne in den Überresten der ersten kosmischen Explosionen entstehen können. Zum Vergleich: Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, das ist also bemerkenswert früh in der kosmischen Geschichte“, sagt Dr. Daniel Whalen.

Die konkret simulierte Scheibe gehört zur kosmischen Morgendämmerung. Die Autoren folgern zudem, dass ähnliche Systeme unter geeigneten Bedingungen noch früher entstanden sein könnten. Bestimmte frühe Halos könnten demnach bereits 50 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall genügend angereichertes Material für wasserreiche protoplanetare Scheiben bereitgestellt haben.

Staub sammelt sich in einer inneren Zone

Entscheidend ist eine Besonderheit der jungen Scheibe. Außerhalb ihrer innersten Bereiche wird sie durch ihre eigene Schwerkraft instabil und entwickelt Spiralarme, die Gas und Drehimpuls transportieren. In der inneren Scheibe ist dieser Transport dagegen deutlich schwächer. Dadurch entsteht dort eine Zone erhöhten Drucks, in der nach innen driftende Staubteilchen hängen bleiben und weiter wachsen.

Rund 20.000 Jahre nach der Scheibenbildung erreichen Staubkonzentration und Teilchengröße im Modell Werte, bei denen die sogenannte Streaming-Instabilität einsetzen kann. Dabei konzentrieren sich feste Partikel durch ihre Wechselwirkung mit dem Gas so stark, dass sie zu größeren Körpern verklumpen. Es entstehen Planetesimale, also kilometergroße und größere Bausteine, aus denen später Gesteinsplaneten hervorgehen können.

Die Planetesimale bilden sich vor allem in einem schmalen Bereich, ungefähr 0,5 bis 1,0 Astronomische Einheiten vom jungen Stern entfernt. Im Referenzlauf erreicht ihre Gesamtmasse rund sechs Erdmassen. Veränderte Annahmen zur Fragmentation des Staubs, zur Streaming-Instabilität oder zum anfänglichen Staubanteil senken die resultierende Masse auf etwa 1,5 bis 5 Erdmassen. Die Größenordnung bleibt damit auch in mehreren Modellvarianten beträchtlich.

Das Wasser sitzt am falschen Ort

Die Scheibe enthält zugleich vergleichsweise viel Wasser. Der im Modell angenommene H₂O-Massenanteil liegt nur um einen Faktor von wenigen unter den Verhältnissen im heutigen Sonnensystem. Das bedeutet allerdings nicht, dass die im Modell entstehenden Planetesimale selbst wasserreich sind. Sie entstehen auf der warmen Seite der Schneegrenze, innerhalb derer Wasser überwiegend nicht als Eis an festen Teilchen gebunden bleibt.

„Da die Planetesimale in unserem Modell innerhalb der Schneegrenze entstehen, dürften sie wasserarm sein“, schreiben die Autoren.

Ein späterer Wassertransport bleibt trotzdem möglich. Nach dem Szenario der Forscher könnten sich jenseits der Schneegrenze wasserreichere Asteroiden bilden und anschließend Wasser zu wachsenden planetaren Körpern bringen. Ein ähnlicher Prozess wird auch für die frühe Erde diskutiert. Die neue Simulation berechnet diesen späteren Transport jedoch nicht selbst.

Noch keine frühen Planeten

Die Ergebnisse belegen deshalb nicht, dass schon kurz nach dem Urknall erdähnliche oder gar bewohnbare Welten existierten. Berechnet wird die Bildung der planetaren Ausgangsbausteine. Die weitere Dynamik der Planetesimale und ihr Zusammenwachsen zu Planeten sind nicht Bestandteil des Modells und würden zusätzliche Simulationen benötigen.

Auch die räumliche Auflösung begrenzt die Aussagekraft für weiter außen liegende Bereiche der Scheibe. Die Autoren weisen zudem darauf hin, dass sich die Ergebnisse bei längeren Entwicklungszeiten oder höher aufgelösten Rechnungen verändern könnten. Dennoch verschieben die Simulationen den möglichen Beginn der Planetenentstehung weit in die kosmische Frühgeschichte. Selbst die erste Generation metallangereicherter, massearmer Sterne könnte demnach bereits Scheiben mit genügend festem Material für felsige Planeten besessen haben.

Quellen:

23. August 2026

– Robert Klatt