Ongerept oerijs

Voorbij de planeet Neptunus strekt zich een ijsgordel uit waartoe ook Pluto behoort. De meeste van deze klonters aan de rand van het zonnestelsel zijn inmiddels weggeslingerd.

Het afgelopen jaar is gemiddeld om de andere dag een hemellichaam nabij of voorbij de baan van Neptunus gevonden. Sinds de ontdekking van het eerste exemplaar, acht jaar geleden door de Amerikaanse astronomen David Jewitt en Jane Luu, is het totale aantal `Trans-Neptunische Objecten' (TNO's) nu de 400 gepasseerd. Al deze hemellichamen bestaan overwegend uit ijs en vormen een brede gordel rond het zonnestelsel. Het is het meest ongerepte overblijfsel van de materie waaruit 4,6 miljard jaar geleden het zonnestelsel ontstond en een van de belangrijkste onderzoeksterreinen in de planetaire astronomie.

De ontdekking van Jewitt en Luu kwam niet onverwachts. Al in de jaren veertig en vijftig opperden Kenneth Edgeworth in Ierland en Gerard Kuiper in de Verenigde Staten dat er in de schijf van oermaterie voorbij Neptunus te weinig materie was om een planeet te vormen, maar wel voldoende voor talloze komeetachtige objecten. Deze ijsgordel zou een verre tegenhanger zijn van de gordel van planetoïden tussen de banen van Mars en Jupiter. Daar was wel voldoende materie voor een planeet geweest, maar had Jupiter het ontstaan daarvan belemmerd.

In 1980 suggereerde de Spaanse astronoom Julio Fernández dat uit dit verre gebied de kometen komen die met tussenpozen van minder dan twee eeuwen hun opwachting in de buurt van de zon maken. Kort daarna begonnen enkele astronomen naar zulke verre ijswerelden te zoeken en in 1992 werd het eerste exemplaar gevonden. Dit zoeken gebeurt nog steeds door met lichtsterke telescopen kleine stukjes van de hemel te fotograferen. Zo worden gewoonlijk eerst de helderste en/of meest nabije objecten gevonden, zodat alleen via statistische analyses conclusies over de gordel als geheel kunnen worden getrokken.

De ijswerelden in de Kuipergordel (of Edgeworth-Kuipergordel) worden op grond van hun baan in drie groepen verdeeld. Het gros draait op afstanden tussen 42 en 48 AE rond de zon (AE = astronomische eenheid: de afstand aarde-zon). Zij worden vrijwel niet gestoord door de reuzenplaneten en hebben hier sinds hun ontstaan rondgecirkeld. Een tweede groep bevindt zich op 39 AE van de zon en is gravitationeel gebonden aan Neptunus: twee omlopen duren even langs als drie omlopen van deze planeet. Zij zijn waarschijnlijk in zo'n baanresonantie gekomen toen deze planeet tijdens zijn ontstaan door verlies van bewegingsenergie langzaam buitenwaarts bewoog.

Een derde groep bestaat uit ijswerelden die in langgerekte banen bewegen. Zij kunnen de zon tot op 30 AE naderen, dus tot net buiten de baan van Neptunus,maar kunnen zich er tevens tot op meer dan 150 AE van verwijderen. Deze `verstrooide' ijswerelden, die ooit door Neptunus van de zon af zijn geslingerd, zijn waarschijnlijk verwant aan de Centaurs: ijswerelden die door Neptunus naar de zon toe zijn geslingerd en nu in het gebied van de reuzenplaneten bewegen. Zij vormen een overgangsstadium tussen de ijsdwergen in de Kuipergordel en de kometen die periodiek in de buurt van de zon verschijnen.

PLUTO

De ontdekking van de Kuipergordel betekende tevens de `degradatie' van de tot dan toe verste planeet, Pluto (diameter 2300 kilometer) en zijn maan Charon (1200 km). Dit zijn nu de twee grootste TNO's. De grootste recent ontdekte ijswereld, 2000 WR, heeft een diameter van 900 kilometer en is dus net iets kleiner dan de grootste planetoïde (Ceres). Volgens Jewitt heeft de diameterverdeling een exponentieel verloop en bevinden zich in het gebied tussen 30 en 50 maal de afstand aarde-zon ongeveer honderdduizend ijswerelden van 100 kilometer of groter. In de planetoïdengordel zijn dat er slechts 250.

De grootte van de ijsdwergen geeft ook informatie over de tijdschaal van het samenklonteren van oermaterie op grote afstanden van de zon en over de totale hoeveelheid materie die daar toen aanwezig was. De totale massa van ijsdwergen met een diameter van 100 kilometer of groter wordt geschat op ongeveer 0,2 maal de massa van de aarde. Deze ijsdwergen moeten zijn ontstaan voordat Neptunus zijn huidige omvang bereikte, omdat deze planeet anders hun ontstaan had verstoord.

De vormingstijd van Neptunus wordt geschat op zo'n honderd miljoen jaar, maar volgens de modellen van het ontstaan van het zonnestelsel is een massa van 0,2 aardmassa veel te klein om in zo'n korte tijdspanne ijsballen van honderden kilometers groot te kunnen vormen. Bovendien suggereren de modellen van het ontstaan van de reuzenplaneten dat zich in het gebied van de Kuipergordel ooit minstens 20 aardmassa's aan materie moeten hebben bevonden. Dit alles wijst erop dat de massa van de Kuipergordel-in-wording honderd maal zo groot moet zijn geweest als nu en dat 99 procent van die materie uit dit gebied is verdwenen.

Hoe ging die opruiming in haar werk? Botsingserosie, waarbij grotere objecten door onderlinge botsingen werden verpulverd tot steeds kleinere deeltjes die uiteindelijk door de straling van de zon werden weggeblazen, lijkt niet toereikend. Misschien hebben de grotere objecten kleinere soortgenoten weggeslingerd. Zouden de talrijke inslagen op de maan en de aardachtige planeten, kort na het ontstaan van het zonnestelsel, mede het gevolg van deze grote schoonmaak in de Kuipergordel zijn geweest?

De Kuipergordel moet tijdens het ontstaan van het zonnestelsel vrij dun zijn geweest, maar de waarnemingen laten zien dat dit nu beslist niet het geval is. Talrijke ijswerelden bewegen in banen die hoeken tot 30° met het hoofdvlak van het zonnestelsel maken, terwijl sommige banen zelfs een inclinatie tot 40° hebben. Voor het creëren van zulke baanveranderingen zijn objecten nodig geweest met een veel grotere massa dan die van de huidige ijswerelden. Volgens de Japanse astronoom Shigeru Ida zou dit er op kunnen wijzen dat de Kuipergordel is `opgepord' door een of meer sterren die dicht langs het zonnestelsel-in-wording bewogen.

Dat opporren zou echter ook kunnen hebben plaatsgevonden door grotere objecten in de Kuipergordel zèlf. Scott Kenyon en Jane Luu hebben berekend dat in de buitendelen van de schijf van oermaterie rond de protozon verscheidene objecten ter grootte van Pluto kunnen zijn ontstaan en misschien zelfs objecten ter grootte van de maan of de planeet Mars. Deze grotere objecten zouden dan verantwoordelijk kunnen zijn geweest voor het veranderen van de baan van kleinere objecten, voordat zij zelf door botsingen in kleinere delen uiteenvielen.

In het kader van dit scenario is het heel goed mogelijk dat zich in de Kuipergordel nog ijswerelden ter grootte van Pluto verscholen houden. De Amerikaanse astronoom Brett Gladman denkt dat zich voorbij Neptunus zelfs nog een ijswereld met de massa van de planeet Mars zou kunnen bevinden. Gladman en zijn collega's hebben onlangs de baan van het object 2000 CR berekend en gevonden dat deze unieke ijswereld nooit dichter dan tot op 44 AE van de zon komt, terwijl het verste punt van zijn baan op maar liefst 390 AE van de zon ligt. Dat is zo ver buiten de invloedssfeer van de bekende planeten dat men aan de invloed van een (nog bestaande of inmiddels weer verdwenen) `ijsplaneet' in de Kuipergordel zou kunnen denken.

MEER IJSWERELDEN

Volgens de huidige modellen van het ontstaan van het zonnestelsel zouden Neptunus en de andere reuzenplaneten de objecten in de Kuipergordel op afstanden groter dan 50 AE vrijwel niet hebben verstoord en zou men in dat verre deel van de gordel veel méér ijswerelden moeten vinden dan dichterbij. Dat blijkt echter niet het geval. De Amerikaanse astronome Lynne Allen en haar collega's denken dat de Kuipergordel hier wellicht een grens bereikt. Tijdens een speurtocht in zes gebiedjes van de hemel ontdekten zij 24 nieuwe ijswerelden, alle binnen 53 AE van de zon, terwijl zij met hun telescoop objecten van 160 kilometer diameter tot op 65 AE van de zon hadden kunnen vinden.

Hield ook de oernevel rond de zon hier definitief op, of strekte hij zich verder uit en zijn de ijsdwergen die daar ontstonden later door de aantrekkingskracht van een passerende ster, andere grote materieklonters of protoplanetaire kernen de diepten van de wereldruimte in geslingerd? Of zijn de objecten in het buitenste deel van de Kuipergordel (veel) donkerder en/of kleiner en daardoor veel moeilijker te ontdekken? De ring van ijs rond het zonnestelsel zal de astronomen voorlopig nog volop in zijn ban houden.