Hoe planeten sterren in het melkwegstelsel omringen, blijft een onderwerp van discussie. Ondanks de overvloed aan werelden in ons eigen zonnestelsel, weten wetenschappers nog steeds niet zeker hoe planeten zijn ontstaan. Momenteel vechten twee theorieën om de rol van kampioen.
De eerste en meest geaccepteerde theorie, kernaccretie, werkt goed bij de vorming van aardse planeten zoals de aarde, maar heeft problemen bij reuzenplaneten. De tweede, de methode van de schijfinstabiliteit, kan het ontstaan van deze reuzenplaneten verklaren.
Wetenschappers blijven planeten in en buiten het zonnestelsel bestuderen in een poging om beter te begrijpen welke van deze methoden het nauwkeurigst is.
Gerelateerd: Hoe groot is de aarde?
Gerelateerd: Wat is de snelheid van de aarde rond de zon?
Het kernaccretiemodel
Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden was het zonnestelsel een wolk van stof en gas die bekend staat als een zonnenevel. Door de zwaartekracht klapte het materiaal in elkaar toen het begon te draaien, en zo ontstond de zon in het centrum van de nevel.
Toen de zon opkwam, begon het resterende materiaal samen te klonteren. Kleine deeltjes kwamen samen, gebonden door de zwaartekracht, tot grotere deeltjes. De zonnewind veegde lichtere elementen, zoals waterstof en helium, weg uit de dichterbij gelegen gebieden, zodat alleen zware, rotsachtige materialen overbleven waaruit kleinere aardse werelden zoals de aarde ontstonden. Maar verder weg had de zonnewind minder invloed op de lichtere elementen, waardoor ze konden samensmelten tot gasreuzen. Zo ontstonden asteroïden, kometen, planeten en manen.
De rotsige kern van de aarde werd het eerst gevormd, waarbij zware elementen botsten en zich aan elkaar bonden. Dik materiaal zonk naar het centrum, terwijl het lichtere materiaal de korst vormde. Het magnetisch veld van de planeet is waarschijnlijk rond deze tijd ontstaan. De zwaartekracht ving een deel van de gassen op waaruit de vroege atmosfeer van de planeet bestond.
Ergens in het begin van zijn evolutie kreeg de aarde te maken met een inslag van een groot hemellichaam, dat stukken van de mantel van de jonge planeet de ruimte in katapulteerde. Door de zwaartekracht kwamen veel van deze stukken samen en vormden zo de maan, die in een baan om zijn schepper draaide.
De stroming van de mantel onder de korst veroorzaakt platentektoniek, de beweging van de grote platen gesteente aan het oppervlak van de Aarde. Door botsingen en wrijving ontstonden bergen en vulkanen, die gassen in de atmosfeer begonnen te spuwen.
Hoewel de populatie van kometen en asteroïden die door het binnenste zonnestelsel trekken tegenwoordig schaars is, waren zij overvloediger toen de planeten en de zon nog jong waren. Botsingen van deze ijzige lichamen hebben waarschijnlijk veel van het water op het oppervlak van de aarde afgezet. Omdat de planeet in de Goldilocks-zone ligt, het gebied waar vloeibaar water niet bevriest of verdampt, maar vloeibaar kan blijven, bleef het water aan het oppervlak, wat volgens veel wetenschappers een sleutelrol speelt bij de ontwikkeling van leven.
Exoplaneetwaarnemingen lijken te bevestigen dat kernaccretie het dominante vormingsproces is. Sterren met meer “metalen” – een term die astronomen gebruiken voor andere elementen dan waterstof en helium – in hun kernen hebben meer reuzenplaneten dan hun metaalarme neven. Volgens NASA suggereert kernaccretie dat kleine, rotsachtige werelden vaker zouden moeten voorkomen dan de massievere gasreuzen.
De ontdekking in 2005 van een reuzenplaneet met een massieve kern die om de zonachtige ster HD 149026 draait, is een voorbeeld van een exoplaneet die het argument voor kernaccretie heeft versterkt.
“Dit is een bevestiging van de kernaccretietheorie voor planeetvorming en bewijst dat dit soort planeten in overvloed zou moeten bestaan,” zei Greg Henry in een persbericht. Henry, een astronoom aan de Tennessee State University, Nashville, ontdekte het dimmen van de ster.
In 2017 is de Europese Ruimtevaartorganisatie van plan om de CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) te lanceren, die exoplaneten zal bestuderen variërend in grootte van super-Aardes tot Neptunus. Het bestuderen van deze verre werelden kan helpen bepalen hoe planeten in het zonnestelsel zijn ontstaan.
“In het kernaccretiescenario moet de kern van een planeet een kritische massa bereiken voordat hij in staat is gas op hol geslagen aan te vullen,” aldus het CHEOPS-team.
“Deze kritische massa hangt af van veel natuurkundige variabelen, waarvan de belangrijkste de snelheid van de aangroei van planetesimalen is.”
Door te bestuderen hoe groeiende planeten materiaal aangroeien, zal CHEOPS inzicht verschaffen in hoe werelden groeien.
Het schijfinstabiliteitsmodel
Hoewel het kernaccretiemodel prima werkt voor aardse planeten, zouden gasreuzen snel moeten evolueren om de aanzienlijke massa lichtere gassen die ze bevatten te pakken te krijgen. Maar simulaties zijn er niet in geslaagd om deze snelle vorming te verklaren. Volgens de modellen duurt het proces enkele miljoenen jaren, langer dan de lichte gassen beschikbaar waren in het vroege zonnestelsel. Tegelijkertijd heeft het kernaccretiemodel te kampen met een migratieprobleem, omdat de babyplaneten waarschijnlijk in korte tijd in een spiraal naar de zon draaien.
Volgens een relatief nieuwe theorie, schijfinstabiliteit, worden al vroeg in het leven van het zonnestelsel klonten stof en gas aan elkaar gebonden. Na verloop van tijd verdichten deze klonters zich langzaam tot een reuzenplaneet. Deze planeten kunnen zich sneller vormen dan hun rivalen in de kernaccretie, soms in slechts duizend jaar, waardoor ze de snel verdwijnende lichtere gassen kunnen insluiten. Ze bereiken ook snel een stabiliserende massa, zodat ze niet doodgemarcheerd op de zon afstevenen.
Als de schijfinstabiliteit de vorming van planeten domineert, zou dat volgens exoplanetair astronoom Paul Wilson een groot aantal werelden met grote ordes moeten opleveren. De vier reuzenplaneten die op aanzienlijke afstanden rond de ster HD 9799 draaien, leveren het observationele bewijs voor schijfinstabiliteit. Fomalhaut b, een exoplaneet met een omloopbaan van 2000 jaar rond zijn ster, zou ook een voorbeeld kunnen zijn van een wereld die door schijfinstabiliteit is gevormd, hoewel de planeet ook kan zijn uitgestoten door interacties met zijn buren.
Kiezelaccretie
De grootste uitdaging bij kernaccretie is tijd – het snel genoeg opbouwen van massieve gasreuzen om de lichtere componenten van hun atmosfeer te pakken te krijgen. Recent onderzoek laat zien hoe kleinere objecten ter grootte van een kiezelsteen tot 1000 keer sneller samensmelten om reuzenplaneten te bouwen dan eerdere studies.
“Dit is het eerste model waarvan we weten dat je begint met een vrij eenvoudige structuur voor de zonnenevel waaruit planeten ontstaan, en eindigt met het reuzenplaneetsysteem dat we zien,” vertelde hoofdauteur Harold Levison van de studie, een astronoom aan het Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, Space.com in 2015.
In 2012 stelden onderzoekers Michiel Lambrechts en Anders Johansen van de Lund Universiteit in Zweden voor dat kleine kiezelsteentjes, eenmaal afgeschreven, de sleutel bevatten tot het snel bouwen van reuzenplaneten.
“Zij toonden aan dat de overgebleven kiezelsteentjes van dit vormingsproces, waarvan eerder werd gedacht dat ze onbelangrijk waren, eigenlijk een enorme oplossing zouden kunnen zijn voor het planeetvormingsprobleem,” zei Levison.
Levison en zijn team bouwden voort op dat onderzoek om nauwkeuriger te modelleren hoe de piepkleine kiezelsteentjes planeten zouden kunnen vormen die vandaag de dag in het melkwegstelsel worden gezien. Terwijl in eerdere simulaties zowel grote als middelgrote objecten hun neven ter grootte van een kiezelsteen in een relatief constant tempo verorberden, suggereren de simulaties van Levison dat de grotere objecten zich meer als pestkoppen gedroegen, die kiezelstenen weggristen van de middelgrote massa’s om in een veel sneller tempo te groeien.
“De grotere objecten hebben nu de neiging om de kleinere objecten meer te verstrooien dan de kleinere objecten ze terugstrooien, zodat de kleinere uiteindelijk uit de kiezelschijf worden verstrooid,” vertelde co-auteur Katherine Kretke, ook van SwRI, aan Space.com. “
Als wetenschappers planeten binnen het zonnestelsel en rond andere sterren blijven bestuderen, zullen ze beter begrijpen hoe de aarde en haar broers en zussen zijn gevormd.
Volg Nola Taylor Redd op Twitter @NolaTRedd, Facebook of Google+. Volg ons op @Spacedotcom, Facebook of Google+.
Recent news