Het nieuwe, ruige zonnestelsel

Astronomie

Het zonnestelsel begon veel wilder en dramatischer dan gedacht. Planeten schoven, gesteente werd heen en weer gekatapulteerd. En een naburige ster kapte ons stelsel af.

©

Veel duidelijker kan astronoom Simon Portegies Zwart van de Universiteit Leiden niet worden. „Van de ideeën die in de schoolboeken staan, moeten we zo snel mogelijk af”, zegt hij.

Hij doelt op de geschiedenis van het zonnestelsel. Die is namelijk veel roeriger dan in de boeken staat, zoveel is de afgelopen tien jaar wel duidelijk geworden. Het statische beeld, dat de planeten zijn ontstaan waar ze nu staan, klopt niet.

In die schoolboeken staat het nu ongeveer zo: in een uithoek van de Melkweg zweefde 4,6 miljard jaar geleden een onbenullige gaswolk. Op één plek was de dichtheid van waterstof, helium en kosmisch stof nét iets hoger dan in de gebieden er omheen. Daar trok de gaswolk, onder invloed van de zwaartekracht, samen en viel ineen. Met een flits ontstond de zon. Eromheen bleef een stofschijf over. Daaruit vormden zich de planeten. Dichtbij de ster was het bloedheet, zodat water en ijs verdampten en rotsachtige planeten zoals de aarde ontstonden. Verderop was het kouder en ontstonden kille reuzen van gas en ijs: Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Elke planeet ontstond keurig op zijn huidige locatie.

Maar zo is het dus niet. Kijk alleen maar eens naar de maan. Zijn pokdalige oppervlak suggereert dat hij ooit flink onder vuur is genomen door rondvliegend kosmisch gesteente. Maar dat valt in een stabiel zonnestelsel moeilijk voor te stellen. Of denk aan de groeiende verzameling (inmiddels ruim 3.500) exoplaneten die astronomen de afgelopen decennia buiten het zonnestelsel hebben ontdekt. Deze week nog werd bekend dat een planeet is ontdekt bij Proxima Centauri, de dichtsbijzijnde ster. Exoplaneten staan vaak in een totaal andere rangschikking om hun ster – dus niet zoals bij ons, vanaf de zon gezien, eerst rotsplaneten, dan ruimtegruis, gasplaneten en weer ruimtegruis. Hoe kan dat zo afwijken?

Portegies Zwart realiseerde zich een jaar of acht geleden dat niemand rekening hield met het feit dat een ster als de zon vrijwel nooit alleen ontstaat. De gaswolk die dienst deed als onze kosmische kraamkamer baarde vermoedelijk ook andere sterren, als het ware de broers en zussen van de zon. De onderlinge zwaartekracht hield hen gedurende de eerste tien miljoen jaar van hun leven allemaal dicht bij elkaar, waarna ze naar hun huidige locaties schoven. Wie het huidige zonnestelsel wil begrijpen, moet volgens Portegies Zwart met die andere sterren rekening houden.

Ruimterotsen en dwergplaneten

In dat huidige zonnestelsel zweven vlakbij de zon de aarde, en andere rotsachtige planeten. Daarachter zit een gordel vol ruimtegesteente, de zogeheten planetoïdengordel. In het buitenste deel van het zonnestelsel vinden we eerst de gasreuzen, met grofweg in de baan van Jupiter nog een tweede kudde kosmisch gruis: de trojanen. Achter Neptunus, vanaf dertig- tot veertigmaal de afstand van de aarde tot de zon, treffen we de Kuipergordel, tjokvol ruimterotsen en dwergplaneten zoals Pluto. Dan volgt een hele tijd slechts een sporadisch stuk gesteente of verdwaalde dwergplaneet totdat op zo’n tienduizendmaal de afstand van de aarde tot de zon een bolvormige schil van ruimtepuin opduikt: de Oortwolk.

Toen Portegies Zwart rekening ging houden met de broertjes en zusjes van de zon, kon hij één deel van die complexe toestand direct verklaren – het feit dat de Kuipergordel eindigt op zo’n veertigmaal de afstand van de aarde tot de zon. Of zoals astronomen het zeggen: op een afstand van 40 Astronomische Eenheden (AE). Al in 2009 publiceerde Portegies Zwart in het vakblad The Astronomical Journal zijn oplossing. „Ik denk dat een ander planetenstelsel het zonnestelsel op 40 AE heeft afgekapt”, zegt hij.

Als Portegies Zwart gelijk heeft, maaide een jonge ster met bijbehorende planeten in het verleden alle materie in de buitenste delen van het zonnestelsel weg. Dat proces vond plaats vóórdat de Oortwolk, de huidige verste uiterwaarde van het zonnestelsel, ontstond. Portegies Zwart: „Destijds was het zonnestelsel misschien zo’n 100 AE groot.”

Dat afkappen blijkt noodzakelijk wanneer je met een simulatie het huidige zonnestelsel wilt reproduceren. Dat blijkt uit het werk van astronoom Alessandro Morbidelli, verbonden aan het Observatoire de la Cote d’Azur en medebedenker van het zogeheten Nice-model. Dat model, vernoemd naar de stad waar Morbidelli’s instituut huist, werd in 2005 gepubliceerd in Nature. Het geldt onder astronomen tegenwoordig als de breedst geaccepteerde theorie over onze lokale kosmische geschiedenis. „Het model werkt alleen als het zonnestelsel wordt afgekapt”, zegt Morbidelli. Als de grens verder ligt, zou het er dankzij de zwaartekracht van die planetoïden anders uitzien. „De planeten zouden bijvoorbeeld verder uit elkaar liggen”, zegt hij.

Afkapping

Een botsing met een ander planetenstelsel biedt volgens Morbidelli een goede verklaring voor de afkapping. „Maar het is ook denkbaar dat een heldere buurster de buitenste delen van het zonnestelsel letterlijk verdampte.”

Maar het Nice-model zet wel het klassieke beeld van het zonnestelsel, dat planeten statische dingen zijn, op zijn kop. „De basis van het Nice-model is dat planeten zich kunnen verplaatsen in de gasschijf waarin ze ontstaan”, zegt Morbidelli. Dat gas duwt planeten door een complex samenspel van zwaartekrachteffecten langzaam richting de zon, totdat zij verstrikt raken in elkaars zwaartekracht. Ze raken dan in resonantie, wat wil zeggen dat hun omlooptijden op elkaar worden afgestemd. Wanneer de ene planeet bijvoorbeeld precies twee rondjes om de zon draait, doet de andere er één.

„Uit elk computermodel blijkt dat planeten in een gasschijf altijd in resonantie raken”, zegt Morbidelli. Dat blijft zo totdat het gas verdampt en de huidige planeten en planetoïden overblijven. Planetoïden zijn hier alles van kleine kosmische knikkers tot complete dwergplaneten als Pluto en Ceres. Het grootste deel van die planetoïden bevindt zich op dat moment in een baan voorbij Neptunus, de verste gasplaneet. Zij geven bij elkaar zoveel gravitationele speldenprikjes aan de planeten dat deze langzaam uit resonantie raken. Niet handig, want daarna gaan de planeten bewegen en katapulteren de planetoïden onherroepelijk weg.

„In twintig procent van de computersimulaties leidt dat tot een zonnestelsel met alles op de juiste plaats”, zegt Morbidelli. „Als je meer voorwaarden stelt en bijvoorbeeld eist dat de planetoïdengordel niet te leeg is, kom je in zeven tot tien procent goed uit”, zegt hij. Geen van die uitkomsten levert het exacte zonnestelsel op. „Maar dat kan ook niet”, zegt Morbidelli. Daarvoor zijn computersimulaties niet fijnmazig genoeg en is het zonnestelsel te complex.

Het rondslingeren van planetoïden is een van de meest dramatische gebeurtenissen in het jonge zonnestelsel. Een deel wordt naar binnen geslingerd, waarbij sommige stenen op een planeet of maan knallen. Een zeer kleine fractie blijft hangen in de aantrekkingskracht van de planeten, of voegt zich bij reeds aanwezig kosmisch gruis in de planetoïdengordel. Het gros eindigt in de zon, of wordt na een tour door het binnenste zonnestelsel weer naar buiten geslingerd. Een ander deel kreeg meteen al een zet die kant op.

Naar buiten gezwiept spul

Van al dat naar buiten gezwiept spul verdwijnt ruim negentig procent voorgoed in de donkere diepte van het heelal. Een kleine fractie, ongeveer zeven procent, raakt verstrikt in de zwaartekracht van de sterren in de Melkweg en stabiliseert op een afstand van 10.000 AE. Zo ontstaat de Oortwolk. De rest, grofweg een procent, komt terecht in de gebieden voorbij Neptunus. Een deel keert terug in de huidige Kuipergordel, waarin ook de planetoïden zijn blijven hangen die slechts een klein zetje van Neptunus kregen. Het andere deel eindigt als zwervend gruis in het dunbevolkte gebied tussen Kuipergordel en Oortwolk. „De grote vraag is: wanneer vond deze verstoring plaats? Daarover is veel debat”, zegt Morbidelli.

Het Nice-model werd ooit bedacht als verklaring voor de enorme hoeveelheid kraters op de maan. Het zogeheten Late Heavy Bombardment-scenario stelt dat de maan 4,1 miljard jaar geleden onder vuur werd genomen. Dat scenario wordt tegenwoordig alleen nog in twijfel getrokken omdat de datering van maankraters ouder dan 3,9 miljard jaar zeer onnauwkeurig blijkt. Dat betekent niet dat het Nice-model nu ook op losse schroeven staat. Het model laat toe dat het wegslingeren van de planetoïden plaatsvond nog voordat de aarde en maan waren gevormd. „Maar ik denk zelf dat een late verstoring met Late Heavy Bombardment het waarschijnlijkst is”, zegt Morbidelli. „Daarover bestaat alleen nog lang geen consensus.”