Het zonnestelsel voorbij Neptunus

Naast de kleine planeet Pluto blijken zich veel meer grote steenbrokken aan de ijzige rand van het zonnestelsel te bevinden. Komen ze voort uit de zon, of komen ze van buiten?

In de afgelopen twee jaar is de belangstelling voor de periferie van ons zonnestelsel snel gegroeid. Tot voor kort wist men niet beter dan dat zich daar alleen het koude planeetje Pluto bevindt, maar nu blijkt het er te krioelen van zulke ijzige werelden. Die zijn te klein voor planeten en te groot voor kometen, maar hebben met beide veel te maken. Zij vormen de tot voor kort ontbrekende stukken van de puzzel van het ontstaan van ons zonnestelsel. Hun bestaan werd echter al meer dan een halve eeuw geleden vermoed.

Pluto werd in februari 1930 ontdekt door de Amerikaanse astronoom Clyde Tombaugh, na een jarenlange, doelgerichte zoekactie naar een mogelijke planeet buiten de baan van Neptunus. Tot aan het einde van de jaren zeventig was van Pluto weinig méér bekend dan dat hij in in 248 jaar in een vrij elliptische en scheve baan om de zon draait, in 6,4 dagen om zijn as wentelt en erg klein moet zijn.

In 1978 werd er bij Pluto een maan ontdekt: Charon. Deze kwam als een geschenk uit de hemel, want uit de baanbeweging van Pluto en Charon kon opeens de gezamenlijke massa van dit duo worden berekend. En toen de twee werelden in de periode 1985-1990 vanaf de aarde gezien om de beurt voor elkaar langs schoven, konden ook hun diameters en dichtheden worden bepaald. Uit deze bedekkingen kon tevens worden afgeleid dat Pluto twee heldere poolkappen heeft.

Pluto heeft een diameter van 2300 km en Charon van 1200 km. Geen enkele andere planeet heeft een naar verhouding zo grote maan. Maar Pluto is een stuk kleiner dan de op één na kleinste planeet (Mercurius) en is zelfs kleiner dan onze maan. De dichtheid van Pluto bedraagt ongeveer 1,9 g/cm, wat er op wijst dat hij uit ruwweg gelijke hoeveelheden gesteente en ijs bestaat. Charon heeft een dichtheid van ongeveer 1,3 g/cm, dus bevat meer ijs dan gesteente.

Niet bekend

De atmosfeer van Pluto wordt periodiek dichter en minder dicht. Doordat Pluto's afstand tot de zon varieert tussen 30 en 50 astronomische eenheden (1 AE is de afstand aarde-zon), varieert de hoeveelheid zonlicht er met een factor van bijna drie. Als Pluto zich van de zon verwijdert, wordt het kouder en bevriest er gas uit de atmosfeer aan het oppervlak. Komt de planeet dichter bij de zon, dan verdampt er ijs aan het oppervlak. In dit opzicht lijkt Pluto wel wat op een komeet.

Door de geringe aantrekkingskracht op Pluto verdwijnt er ook voortdurend gas in de ruimte. Dit gasverlies is ongeveer even groot als dat van een komeet. Maar in tegenstelling tot bij een komeet is er geen gevaar dat Pluto uiteindelijk al zijn vluchtige stoffen verliest. Men heeft berekend dat na iedere omloop om de zon één millimeter van het oppervlak is verdampt. Sinds het ontstaan van Pluto (4,6 miljard jaar geleden) is er dus niet meer dan 18 km verdwenen.

Naarmate de astronomen meer over Pluto te weten kwamen, werd het steeds duidelijker dat deze planeet geen 'normale' planeet is. Die gedachte was al kort na de ontdekking van Pluto opgekomen. Omdat hij zo klein is en soms binnen de baan van Neptunus komt (zoals in de periode 1979-1999), meenden sommigen dat Pluto misschien een vroegere maan van Neptunus is. Anderen dachten aan een ongewone komeet of planetoïde. Dat laatste schijnt voor het eerst te zijn gesuggereerd door de Rotterdamse amateur-astronoom S.H.J. Wanrooy.

In februari 1938 schreef deze in het tijdschrift Hemel en Dampkring dat men ook zou mogen aannemen 'dat Pluto een planetoïde is, behoorende tot een tweede ring van planetoïden, waarvan de meeste exemplaren transneptunisch zijn en uit den aard der zaak moeilijk te ontdekken'. Mogelijk zou ook een aantal kometen met deze 'buitenste planetoïdenkrans' samenhangen. Hoe dicht zat deze amateur toen al bij de waarheid!

Algemeen wordt aangenomen dat de planeten zijn ontstaan door het samenklonteren van gas en stof in een draaiende, platte wolk van gas en stof rond de zon. Dat gebeurde 4,6 miljard jaar geleden. Dicht bij de oerzon, waar het heet was, ontstonden planeten die hoofdzakelijke uit gesteenten (en ijzer) bestaan: de aardachtige planeten. Verder weg van de zon, waar het koud was, ontstonden planeten die voor het grootse deel uit gassen (deels vloeibaar) bestaan.

In het gebied tussen de banen van Mars en Jupiter konden geen planeten ontstaan, doordat het proces van samenklontering daar werd verstoord door de grote planeet Jupiter. Daar ontstonden slechts kleinere steenklompen: planetoïden. Aan de periferie van het zonnestelsel bevond zich te weinig materiaal om een planeet te vormen. Daar vormden zich koude conglomeraten van gruis en ijs: komeet-achtige werelden.

De Nederlandse astronoom Jan Hendrik Oort suggereerde in 1950 dat deze ijsklonters al snel door de sterke aantrekkingskracht van de reuzenplaneten uit het zonnestelsel zouden zijn geslingerd. Sinds die tijd bevolken zij een min of meer bolvormig gebied rond de zon dat zich uitstrekt tot ruwweg halverwege de meest nabije ster: de Oortwolk. Af en toe komt een bal van ijs weer in de richting van de zon, hult zich in een wolk van gas en stof en brengt komeetwaarnemers in actie.

Deze theorie van het wegslingeren is door anderen verder uitgewerkt. Recente computersimulaties laten zien dat het gebied tussen Jupiter en Neptunus zelfs verrassend snel werd 'schoongeveegd': binnen 10 miljoen jaar was het meeste materiaal verdwenen en het restant volgde in de 800 miljoen jaar daarna. Men schat dat er zo een hoeveelheid materie ter grootte van tien aardmassa's uit het zonnestelsel werd verwijderd (Astronomical Journal 105, p. 1987).

De Amerikaans-Nederlandse astronoom Gerard Pieter Kuiper suggereerde in 1951 dat waarschijnlijk niet alle ijsklonters uit het planetenstelsel werden geslingerd. Voorbij de baan van Neptunus waren immers geen planeten om de kleinere objecten een zwieper te geven: daar zou zich ook nu nog een gordel van ijsklonters moeten bevinden. Ook dit werd door latere berekeningen bevestigd: op afstanden groter dan 40 astronomische eenheden zouden deze objecten miljarden jaren lang ongestoord kunnen blijven rondcirkelen.

Met zo'n gordel van ijsballen buiten de baan van Neptunus kan ook het bestaan worden verklaard van kortperiodieke kometen: kometen die in minder dan 200 jaar om de zon draaien. Zij draaien vrijwel allemaal in dezelfde richting als de planeten om de zon en hun banen maken slechts een kleine hoek met het vlak van de planeetbanen. Als deze kometen uit de Oortwolk waren gekomen, zouden zij in allerlei richtingen om de zon moeten draaien. Hun banen wijzen er op dat ze uit een soort 'voorportaal' van de Oortwolk komen.

De Amerikaanse astronoom Alan Stern ging in 1991 nog een stap verder door te suggereren dat zich in de Kuipergordel behalve komeet-achtige objecten ook werelden in de grootteklasse van 1000 km zouden moeten bevinden. Hoe kon men anders verklaren dat de rotatie-as van Uranus en Neptunus zo scheef staat, dat Neptunus een maan heeft die er in een verkeerde richting om heen draait en dat Pluto een ongewoon grote maan heeft?

Deze kenmerken kunnen goed worden verklaard met behulp van een botsing van een groot object tegen Uranus en Neptunus en het invangen van zo'n object door Neptunus en Pluto. Maar om dit alles mogelijk te maken, zou in het prille begin van het zonnestelsel in dit gebied een groot aantal van die objecten aanwezig moeten zijn geweest. De meeste van hen zouden later naar de Oort-wolk zijn verdwenen, maar een aantal zou zich nog in de Kuiper-gordel moeten bevinden. Inmiddels waren de Amerikaanse astronomen David Jewitt en Jane Luu in 1987 systematisch naar deze verre ijswerelden gaan zoeken. Omdat het om uiterst zwakke lichtpuntjes zou gaan, was daar veel geduld voor nodig. Op 30 augustus 1992 werd dat beloond: het tweetal ontdekte een object, Smiley (1992 QB1), dat op een afstand van 44 astronomische eenheden om de zon draait. Zijn baan is vrijwel cirkelvormig en ligt vrijwel in het vlak van de aardbaan.

De hemel was de twee astronomen goed gezind. Hun artikel over dit nieuwe, buitenste lid van het zonnestelsel was nog maar net klaar of zij ontdekten een tweede object, spoedig gevolgd door een derde, een vierde, enzovoort. Ook andere astronomen gingen zich nu met de speurtocht bezig houden, waardoor het aantal nog sneller steeg. Momenteel zijn er 17 van deze Trans Neptunische Objecten (TNO's) ontdekt.

De diameter van de nieuwe ijswerelden loopt uiteen van 100 tot 400 km. Hun banen zijn vrijwel cirkelvormig en maken slechts een geringe hoek (8ß8 of minder) met het hoofdvlak van de planeten. Dat zijn precies de eigenschappen die waren gesuggereerd voor de objecten in de Kuiper-gordel. Deze serie ontdekkingen wijst er daarom sterk op dat het planetenstelsel inderdaad wordt omringd door een grote schare ijswerelden: restanten uit de periode van het ontstaan van het zonnestelsel.

Omdat de onderzoekers nog maar een minuscuul deel van de hemel hebben afgezocht, moet het totale aantal ijswerelden groot zijn. In hun artikel 'Het zonnestelsel voorbij Neptunus' (dat in maart verschijnt in The Astronomical Journal) schatten Jewitt en Luu dat er ruwweg 35.000 objecten met een doorsnee van 100 km of groter in het gebied van Neptunus en Pluto rondcirkelen. Dit aantal is vele malen groter dan het aantal planetoïden van deze omvang in het gebied tussen Mars en Jupiter.

Niet bekend

Na de ontdekking van deze ijsdwergen kijkt men opeens ook heel anders aan tegen Pluto en Charon. Zij zijn waarschijnlijk de grootste leden van de ijsfamilie aan de binnengrens van de Kuipergordel. Hetzelfde geldt waarschijnlijk voor Triton, de maan van Neptunus die met zijn 2700 km nog iets groter is dan Pluto en er in verschillende opzichten op lijkt. Volgens Jewitt en Luu is het niet erg waarschijnlijk dat er nog meer ijswerelden ter grootte van Pluto zijn: die hadden al bij eerdere zoekacties moeten zijn gevonden.

Er zijn ook vier hemellichamen ontdekt die wel de kenmerken van ijsdwergen hebben, maar zich tussen de banen van Saturnus en Neptunus bevinden. Waarschijnlijk zijn deze ooit door de storende werking van de reuzenplaneten uit de Kuipergordel getrokken en in een meer komeet-achtige baan gedirigeerd. Het meest intrigerende object van deze categorie, Centaurs genoemd, is Chiron. Deze werd na zijn ontdekking in 1977 op grond van zijn baan (tussen Saturnus en Uranus) en diameter (80 à 160 km) geclassificeerd als planetoïde, maar in 1989 bleek hij zich opeens te hebben gehuld in een gaswolk.

Aan het oppervlak van Chiron bevindt zich ijs, dat begon te verdampen toen hij op een bepaalde afstand van de zon was gekomen. Chiron ging zich gedragen als een komeet, hoewel hij qua diameter meer lijkt op de Kuiper-objecten. Vorige maand werd bekend dat de atmosfeer van Chiron details vertoont die lijken op de geiserpluimen in de atmosfeer van Triton. Dit versterkt de relatie met de objecten uit de Kuiper-gordel. Chiron is nu de meest nabije ijsdwerg en daarom het doelwit van een uitgebreide waarnemingscampagne (Nature 373, p. 23 en 46).

Sommige ijsdwergen lijken in de greep van Neptunus te zitten. In de tijd dat zij twee omlopen om de zon maken, maakt Neptunus er drie. Zo'n baanresonantie bestaat ook tussen Neptunus en Pluto. Maar Neptunus houdt Pluto óók op een veilige afstand. Als Pluto de baan van Neptunus kruist, staat Neptunus altijd een flink eind uit de buurt. En als Neptunus de baan van Pluto kruist, staat die ver weg. Misschien houdt Neptunus op die manier ook een aantal (andere) ijsdwergen in zijn greep: Jewitt en Luu noemen hen Plutino's.

De Amerikaanse astronome Renu Malhotra heeft achterhaald hoe Pluto in de greep van Neptunus is gekomen. Pluto zou, evenals Neptunus, zijn ontstaan in een cirkelvormige baan. De baan van Neptunus werd toen echter langzaam groter, als gevolg van het uitwisselen van bewegingsenergie tussen Neptunus, passerende ijswerelden en de andere reuzenplaneten. Op een bepaald moment kwam Neptunus zo dicht bij Pluto, dat er een baanresonantie tot stand kwam (Nature 365, p. 788 en 819).

De houdgreep van Neptunus betekende echter tevens Pluto's redding, want daardoor bleef hij gespaard van de uitstoting die de (andere) ijsklonters in dit gebied ondergingen. Een andere ijsdwerg, Triton, werd in die tijd in een baan om Neptunus getrokken en aldus ook gered. Hetzelfde gold waarschijnlijk voor Phoebe, een maan die in een 'verkeerde' richting om Saturnus draait. Al deze grotere ijswerelden zijn nu nog in hun geboortegebied aanwezig doordat zij stabiele niches hebben gevonden.

De grote baanhelling van Pluto (17ß8) is waarschijnlijk tot stand gekomen door een (schampende) botsing met een van de andere ijsdwergen. Mogelijk is Pluto toen ook aan zijn relatief grote satelliet gekomen. Getijdenwrijving ging er vervolgens voor zorgen dat de aswenteling van zowel Pluto als Charon uiteindelijk gelijk werd aan de tijd waarin zij om elkaar heen draaien: zij houden nu steeds dezelfde kant naar elkaar toe gekeerd.

Doordat de kleinere ijsdwergen zo lichtzwak zijn, is het moeilijk om er spectra van op te nemen. Dat is nodig om iets over hun oppervlak te kunnen zeggen. De eerste metingen wijzen er op dat ze een vrij rode kleur hebben: alleen Mars is nog roder. Dit kan betekenen dat er aan hun oppervlak organische verbindingen voorkomen, wellicht ontstaan door de langdurige blootstelling van eenvoudiger koolstofverbingen (zoals methaan) aan straling en/of deeltjes uit de ruimte.

Deze verbindingen maken ook dat het oppervlak - hoewel het ijs bevat - vrij donker is. Het kaatst wellicht niet meer dan enkele procenten van het zonlicht terug: net als het oppervlak van kometen. Doordat Pluto een atmosfeer heeft, slaat op zijn oppervlak steeds weer 'verse' rijp neer en houdt hij een reflecterend vermogen van 60 procent. Zou Pluto wat kleiner zijn geweest, dan had hij geen atmosfeer gehad en zou er geen rijpvorming plaatsvinden. Zijn oppervlak zou veel donkerder zijn geweest en hij zou niet zestig jaar eerder dan zijn soortgenoten zijn ontdekt.

Afbeeldingen

Het zuidpoolgebied van Triton, gefotografeerd door de Amerikaanse ruimtesonde Voyager 2 in augustus 1989. Triton heeft een diameter van 2700 km en is waarschijnlijk kort na zijn ontstaan door Neptunus ingevangen. Triton heeft een ijle atmosfeer en een poolkap die grotendeels uit bevroren stikstof bestaat. Hij heeft waarschijnlijk veel gemeen met de twee andere grote ijswerelden die wat losser door Neptunus worden vastgehouden: Pluto en Charon. (foto: JPL/NASA)

De scherpste opname van Pluto en Charon, begin 1994 gemaakt met de Faint Object Camera aan boord van de Hubble Space Telescope. Pluto heeft een diameter van 2300 km en Charon van 1200 km: geen enkele andere 'planeet' heeft een naar verhouding zo grote maan. Beide draaien in 6,4 dagen om hun as, maar in die tijd draaien ze tevens op een afstand van slechts 19.500 km om elkaar heen. Hierdoor houdt elk constant éénzelfde halfrond naar de ander gekeerd. (foto: ESA / ESO / NASA)

Opname van Pluto, begin vorig jaar gemaakt met de Faint Object Camera aan boord van de Hubble Space Telescope. Hoewel de opname slechts zeer ruwe oppervlaktedetails laat zien, mag hij gerust van sublieme kwaliteit worden genoemd. Pluto doet zich aan de hemel voor als een schijfje met een diameter van slechts 0,1 boogseconde: hij lijkt net zo groot als een tennisbal gezien vanaf een afstand van 130 km! (foto: ESA/ESO/NASA)

Impressie van de aankomst van een onbemande ruimtesonde bij Pluto en Charon in het begin van de volgende eeuw. Pluto is de enige 'planeet' die nog niet van nabij is bestudeerd. Zou men dit alsnog willen doen, dan moet dit op korte termijn gebeuren, omdat Pluto zich sinds 1989 weer van de zon verwijdert. Het wordt er kouder, waardoor gassen uit de atmosfeer aan het oppervlak bevriezen en die atmosfeer steeds ijler wordt. (foto: JPL/NASA)

Een van de drie opnamen waarop Pluto in februari 1930 na een jarenlange zoekactie werd ontdekt. De opname werd gemaakt op 23 januari door Clyde W. Tombaugh op de Lowell-sterrenwacht bij Flagstaff (VS). Pluto is het minuscule puntje bij het pijltje.

Ontdekkingsfoto van de eerste ijswereld buiten de baan van Neptunus: 1992 QB1, ofwel Smiley. De opname werd gemaakt op 30 augustus 1992 door David Jewitt en Jane Luu met de 2,2 meter telescoop van de universiteit van Hawaii op Mauna Kea. Smiley heeft een diameter van ongeveer 280 km en draait op een afstand van 40 astronomische eenheden (1 AE = de afstand aarde-zon) om de zon.

De lokaties (geprojecteerd op het vlak van de aardbaan) van de 17 nu bekende ijsdwergen. De afstanden tot de zon zijn aangegeven in astronomische eenheden (1 AU = de afstand aarde-zon). De opeenhoping van de objecten in bepaalde gebieden is een gevolg van het feit dat er nog maar heel kleine stukjes van de hemel zijn afgezocht.