Wissen: Als die Sonne schwächelte

Bei ihrer Geburt vor 4,5 Milliarden Jahren war die Sonne ziemlich schwach. Wie es für diese Art von Sternen typisch ist, nimmt ihre Strahlungsleistung erst im Laufe der Zeit zu. 30 Prozent weniger Energie als heute habe unser Zentralgestirn anfangs abgestrahlt, sagt deshalb die gängige Lehrmeinung. Das Problem dabei: Wenn die Sonne so viel schwächer strahlte, hätte es auf der Erde bitterkalt sein müssen – viel zu kalt für die Existenz von flüssigem Wasser auf der Oberfläche und damit auch für die Entstehung von Leben. Doch es gibt geologische Beweise dafür, dass es bereits vor 4,4 Milliarden Jahren Ozeane auf der jungen Erde gab. Mehr noch: Auch auf dem Mars, der weiter von der Sonne entfernt ist und wo es noch kühler ist, gab es in der Frühzeit des Sonnensystems offenes Wasser.

Bereits 1972 wies der Astronom Carl Sagan auf dieses „Problem der schwachen Sonne“ hin. Doch zunächst weckte er kaum das Interesse seiner Kollegen. Irgendeine einfache Lösung werde es dafür schon geben, lautete die vorherrschende Meinung. Vielleicht hat ein starker Treibhauseffekt die Erde erwärmt, vielleicht gab es weniger Wolken und dadurch wurde weniger Sonnenstrahlung ins All reflektiert, mutmaßten die Wissenschaftler.

In den vergangenen Jahren mehrten sich jedoch die Anzeichen dafür, dass diese simplen Lösungen nicht funktionieren. Klimamodelle der frühen Erde haben gezeigt, dass eine Verringerung der Bewölkung nicht ausreicht, um die Ozeane aufzutauen. Und genaue Analysen von urzeitlichen Sedimentablagerungen belegen, dass es keine ausreichend hohe Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre gegeben hat. Nicht zuletzt betreffen all diese Lösungsansätze nur die Erde und erklären nicht die Warmperiode auf dem Mars.

Vielleicht ist es also gar nicht die Erde, die in der Frühzeit des Sonnensystems anders war als heute, sondern die Sonne. In den vergangenen 25 Jahren haben einzelne Forscher immer wieder versucht, am allgemein akzeptierten Modell der Sonne zu drehen, um das Problem zu lösen. Ihre Idee besagt: Wäre die Sonne anfangs ein klein wenig schwerer gewesen, so hätte sie mehr Strahlung ausgesendet und Erde und Mars ausreichend wärmen können. Doch die zusätzliche Masse hätte unser Zentralgestirn durch einen starken Sonnenwind wieder abgeben müssen. Die dazu notwendigen Mengen stimmen aber einfach nicht mit dem überein, was die Astronomen bei anderen Sternen beobachten, die mit der jungen Sonne vergleichbar sind.

Stein Sigurdsson von der Universität von Pennsylvania hält die Zeit für reif, diesen Ansatz noch einmal aufzugreifen. „Wir wissen heute viel mehr über die Sonne“, sagt der Astrophysiker. Die Helioseismologie, das ist die Messung ihrer Schwingungen, liefere viele Informationen über ihren inneren Aufbau. „Wir haben auch genauere Daten über die Strahlungsdurchlässigkeit ihrer äußeren Schichten. Und wir verstehen den Sonnenwind viel besser.“ All diese Informationen will Sigurdsson in einem Computermodell zusammenführen, das die Entwicklung unserer Sonne besser nachvollzieht.

Im Rahmen eines von der Nasa finanzierten Forschungsprojekts hofft der Wissenschaftler, ein Sonnenmodell zu finden, das mit einer warmen Erde und einem warmen Mars übereinstimmt.

Der mögliche Massenbereich für die frühe Sonne ist dabei schmal – zwei bis fünf Prozent mehr Masse als heute sind möglich, sagt Sigurdsson. Ist es weniger, so steigert sich die Energieabgabe der Sonne nicht genug. Ist es mehr, so würde sich die Sonne zu einem deutlich anderen Stern entwickeln als wir ihn heute am Himmel sehen. Der schwierige Teil der Simulationen ist, die zusätzliche Masse im richtigen Zeitraum durch einen starken Sonnenwind loszuwerden, ohne dass dieser Materiestrom mit anderen Beobachtungsdaten im Widerspruch steht.

Sigurdssons Team nimmt diese Herausforderung gelassen. Es gebe genug Parameter, um das Modell anzupassen, sagt er. Die chemische Zusammensetzung der ursprünglichen Sonnenmaterie biete einen gewissen Spielraum, ebenso die Rolle von Turbulenzen im Inneren der Sonne. Einen Stern, der allen Anforderungen entspricht, haben die Forscher aber noch nicht gefunden. Rainer Kayser