Een nieuwe kijk op ons zonnestelsel

Eddy Echternach

Héél lang beschouwde men het zonnestelsel als een toonbeeld van regelmaat. De meeste planeten volgden bijna cirkelvormige banen om de zon, bewogen ongeveer in één en hetzelfde vlak en zelfs de afstanden tot de zon leken slaafs aan een eenvoudige rekenkundige regel te gehoorzamen. Maar het begint er steeds meer op te lijken dat deze regelmaat het resultaat is van een chaotisch proces waarin vooral de grote planeten van het zonnestelsel een belangrijke rol hebben gespeeld. De ontdekking van merkwaardige planetenstelsels bij andere sterren en de nieuwste computersimulaties van het ontstaan van ons zonnestelsel leveren opmerkelijke nieuwe inzichten op, waarbij soms letterlijk alles overhoop wordt gehaald.

Impressie van de protoplanetaire schijf, waarin de planeten van ons zonnestelsel zijn ontstaan. (Illustratie: David A. Hardy)

Ruim tweehonderd jaar geleden leek alles nog zo eenvoudig. Er waren zes planeten, die bijna allemaal een keurige cirkelvormige baan rond de zon volgden. Omstreeks 1755 formuleerde de Duitse filosoof Immanuel Kant (1724-1804) zelfs een tot op heden bruikbaar model volgens hetwelk zon en planeten zouden zijn ontstaan uit een langzaam roterende 'oernevel' van materie. En omstreeks 1766 werd door zijn landgenoot Johann Daniel Titius (1729-1796) een fraaie mathematische regelmaat ontdekt, die later bekend zou worden als de regel van Titius-Bode. (Johann Elert Bode was de eerste die de regel populariseerde.)
Titius had laten zien dat de afstanden van de planeten tot de zon een mooie reeks vormen, gebaseerd op de getallen 0, 3, 6, 12, 24, 48 en 96. Als je bij elk van deze getallen 4 optelt en het resultaat door 10 deelt, vind je -- bij benadering -- de afstanden van de eerste zes planeten tot de zon, uitgedrukt in astronomische eenheden. (Behalve de planeten in hun banen om de zon blijken ook de grote, regelmatige manen van de grote planeten zich aan 'Titius-Bode-achtige' afstandsregels te houden.) Dat er voor het basisgetal 24 geen planeet (op 2,8 astronomische eenheden van de zon dus) leek te bestaan, riep reeds in de achttiende eeuw vraagtekens op en leidde uiteindelijk tot de jacht op een 'ontbrekende planeet' tussen de banen van Mars en Jupiter. Naar we inmiddels weten, werd daar niet één planeet gevonden, maar een groot aantal planetoïden, waarvan nu wordt vermoed dat zij de restanten zijn van een mislukte planeetvorming.

Model Kepler Ten tijde van Johannes Kepler was het zonnestelsel nog een toonbeeld van regelmaat. In zijn Mysterium Cosmographium (Het mysterie van het heelal, 1596) trachtte Kepler zelfs de afstanden van de planeten in een keurslijf van regelmatige meetkundige figuren te passen. De poging was niet geheel geslaagd, maar 150 jaar later zouden twee Duitse wiskundigen vaststellen dat er wel degelijk regelmaat in het zonnestelsel zit!

Dat de regel van Titius-Bode 'werkte' werd in 1781 nog eens bevestigd met de ontdekking van de planeet Uranus, die een gemiddelde zonsafstand van 19,15 astronomische eenheden heeft: vrijwel precies tweemaal 96 plus 4 gedeeld door 10, zoals de regel van Titius-Bode 'voorspelde'. Pas na de ontdekking van Neptunus en Pluto werd duidelijk dat niet alle planeten van ons zonnestelsel zich zo netjes aan de rekenkundige regel houden.
Dat neemt echter niet weg dat ons zonnestelsel een tamelijk logische opbouw lijkt te hebben. Aangenomen wordt dat de planeten zijn ontstaan uit de dunne, platte wolk restmaterie die de jonge zon omringde. En van die protoplanetaire 'schijf' mag worden verondersteld dat de materiedichtheid vóór het ontbranden van de zon nabij het centrum het grootst is geweest. De belangrijkste variaties binnen de schijf waren een rechtstreeks gevolg van temperatuurverschillen: hoe verder van de zon, des te kouder te materie. Naderhand blies de jonge zon met haar straling en zonnewind de meest vluchtige elementen uit het binnenste gedeelte van de protoplanetaire schijf naar buiten toe, zodat de materiedichtheid daar afnam.
Dat de binnenste planeten van het zonnestelsel het kleinst zijn, is dus nauwelijks verbazingwekkend. Zij zijn immers ontstaan in een gedeelte van de schijf restmaterie waar minder materie voor het grijpen lag dan verderop. Het feit dat deze 'aardse' planeten arm zijn aan lichte elementen als waterstof en helium bevestigt dit idee. Volgens dit standaardmodel hebben Jupiter en de overige gasreuzen hun grote massa dus te danken aan hun grotere afstand tot de zon. Bovendien heeft Jupiter er met zijn grote aantrekkingskracht waarschijnlijk voor gezorgd dat de vorming van een planeet tussen de banen van Mars en Jupiter voortijdig werd afgebroken.

51 Pegasi

Tot zover lijkt er niets aan de hand. De opbouw van ons zonnestelsel is blijkbaar zo logisch als het maar kan. De hoofdlijnen zijn al bij het ontstaan ervan, zo'n 4,5 miljard jaar geleden, uitgezet en sindsdien zijn er alleen maar wat detailveranderingen geweest. De loop der ontwikkelingen lijkt zelfs zó logisch dat je je nauwelijks kunt voorstellen dat andere planetenstelsels er heel anders uit zouden zien.
Dat dát idee niet klopt, weten we sinds een jaar of vijf. In 1995 maakten de Zwitserse sterrenkundigen Michel Mayor en Didier Queloz bekend dat zij bij de zonachtige ster 51 Pegasi een planeet van het kaliber van Jupiter hadden ontdekt (zie Zenit, mei 1999, blz. 207 e.v.). Deze planeet heeft een omlooptijd van 4,2 dagen, waaruit blijkt dat de afstand tot de moederster niet veel meer dan 0,05 astronomische eenheden (7,5 miljoen kilometer) kan bedragen. Inmiddels zijn bij een kleine dertig andere sterren planeten ontdekt, en bij veel ervan zijn zware, Jupiterachtige planeten waargenomen die griezelig dicht rond hun moederster bewegen. Blijkbaar is ons zonnestelsel helemaal niet zo normaal, en zijn er processen die ervoor kunnen zorgen dat de grootste planeet van een zonnestelsel juist vrijwel in het centrum wordt aangetroffen.
Maar wacht eens even! We hadden toch geconstateerd dat de materiedichtheid in de schijf restmaterie rond een jonge ster juist in de buurt van die ster betrekkelijk gering is? Hoe komt die planeet bij 51 Pegasi dan aan zijn grote massa? Er zijn eigenlijk maar twee mogelijkheden: óf de bestaande ideeën over de opbouw van de protoplanetaire schijf deugen niet, waardoor er ook in de buurt van een jonge ster veel materie in de schijf kan zitten, óf planeten als deze zijn niet op de plek ontstaan waar we ze nu aantreffen. In het laatste geval zou de planeet op veel grotere afstand van de ster zijn ontstaan en langzaam in een spiraalbaan naar binnen zijn gemigreerd.
Om dit voor elkaar te krijgen, zou de planeet moeten afremmen -- bijvoorbeeld ten gevolge van wrijving met de materie in de protoplanetaire schijf. Volgens dit model hangt het uiteindelijke lot van de planeet in zekere zin van het toeval af: de naar binnen gerichte migratie komt pas ten einde als de planeet een tamelijk lege zone in de protoplanetaire schijf bereikt. Als de materieverdeling echt heel gelijkmatig is, gaat de spiraalbeweging door totdat de planeet op zijn moederster ploft.
Bij dit alles moet overigens worden aangetekend dat we er op dit moment nog geen idee van hebben hoe planetenstelsels bij andere sterren eruit plegen te zien. Zoals gezegd, is tot op heden slechts bij een dertigtal sterren een planeet waargenomen. En zo'n planeet ontdekt je het gemakkelijkst als hij zwaar is en in een nauwe baan om zijn moederster beweegt. Dat we tot nu toe alleen Jupiterachtige planeten hebben gevonden, is het gevolg van ons beperkte waarneemvermogen. Wie weet, blijken deze gevallen straks juist extreme uitzonderingen te zijn.

Galileo afdaling
De afdaling van de atmosfeersonde van Galileo, op 13 juli 1995. (Illustratie: NASA Ames Research Center)

Galileo

Wat betekent deze vaststelling nu voor ons eigen zonnestelsel? Is het eenvoudig zo dat we het geluk hebben gehad dat de materiedichtheid in de oerschijf van het zonnestelsel ter plaatse van de huidige baan van Jupiter zo gering is geweest dat deze planeet niet verder naar binnen is opgeschoven? Dat laatste zou immers fataal zijn geweest voor de binnenste planeten van het zonnestelsel. Of gaat het om een nog gecompliceerder proces? Het begint erop te lijken dat het laatste het geval is. Recente publicaties in het wetenschappelijke tijdschrift Nature duiden erop dat er ook in ons zonnestelsel rare dingen aan de hand zijn.
Eén van de dingen die niet lijken te 'kloppen' is de samenstelling van de atmosfeer van Jupiter. Sinds een aantal jaren is tamelijk nauwkeurig bekend uit welke gassen deze is opgebouwd. In december 1995 is een kleine hulpsonde van de ruimtesonde Galileo afgedaald in de dampkring van Jupiter om daar nauwkeurige metingen te verrichten. In grote lijnen bevestigden deze de bestaande ideeën over de samenstelling van de buitenste lagen van de reuzenplaneet. Er blijkt -- gemeten in aantallen moleculen -- een beetje meer waterstof (86,4%) te zijn dan eerder werd afgeleid, en een beetje minder helium (13,6%), maar vaststaat dat de Joviaanse atmosfeer vrijwel geheel uit de beide lichtste gassen bestaat, net als onze zon.

Processen in de atmosfeer
Een overzicht van de processen die hebben bijgedragen aan de samenstelling van de atmosfeer van Jupiter. Deze samenstelling volgt in grote lijnen de abundanties in de oernevel waaruit 4,5 miljard jaar geleden zon en planeten zijn ontstaan. Latere inslagen van kometen en andere ijsachtige planetesimalen hebben Jupiters atmosfeer verrijkt met zwaardere elementen. (Illustratie: NASA)

Het venijn zit hem echter in de details. Behalve waterstof en helium bevat de Jupiter-atmosfeer kleine hoeveelheden van meer exotische bestanddelen zoals methaan, waterdamp, ammoniak en waterstofsulfide. En dan zijn er nog gassen als stikstof en de edelgassen argon, krypton en xenon. Van deze laatste vier is inmiddels komen vast te staan dat hun hoeveelheden op Jupiter zeer gering zijn, maar nog altijd een factor drie groter dan men op basis van het standaardmodel van de protoplanetaire schijf van het zonnestelsel zou verwachten. Op de plaats waar Jupiter nu zijn baantjes draait -- op ongeveer vijf astronomische eenheden van de zon -- was het eigenlijk veel te warm om zo veel stikstof, argon, krypton en xenon te kunnen verzamelen. Althans, dat denken de onderzoeker Sushil Atreya, directeur van het Planetary Science Laboratory van de University of Michigan College of Engineering, en zijn collega's.
Net als bij de overige planeten wordt verondersteld dat Jupiter is ontstaan door de opeenhoping van grote aantallen kleine, ijzige objecten: de zogeheten planetesimalen. Maar als de temperatuurverdeling in de oerschijf is geweest zoals de modellen voorspellen, zou het tot ver voorbij de baan van Neptunus te warm zijn geweest voor planetesimalen met voldoende grote hoeveelheden van de vier genoemde elementen.
Het is natuurlijk mogelijk dat de samenstelling van Jupiter in de loop der miljarden jaren is veranderd. Zo zouden er planetesimalen vanuit de Kuipergordel -- meer dan 40 astronomische eenheden van de zon -- op de een of andere manier op Jupiter kunnen zijn ingeslagen. Het probleem is echter dat ook deze planetesimalen tijdens hun tocht naar de binnenste delen van het zonnestelsel door verdamping veel van de bevroren edelgassen en stikstof zouden moeten kwijtraken. Een plausibele verklaring voor de afwijkende samenstelling van Jupiter lijkt dit dus niet te zijn.
Volgens de onderzoekers zijn er eigenlijk maar twee mogelijkheden. De eerste is dat het standaardmodel van de oerschijf van het zonnestelsel niet deugt. Als de temperaturen in de schijf veel lager waren dan we nu denken, zou er ook dichterbij de zon genoeg stikstof en zware edelgassen kunnen zijn geweest. De andere mogelijkheid sluit aan bij een idee dat is opgekomen door de waarneming van planetenstelsels bij andere sterren: staat Jupiter nog wel op de plek waar hij is ontstaan?
De Galileo-metingen laten de mogelijkheid open dat Jupiter op veel grotere afstand van de zon is gevormd. De grootste planeet van ons zonnestelsel zou oorspronkelijk afkomstig kunnen zijn uit het gebied van de Kuipergordel. Maar hoe mooi deze verklaring ook lijkt, ook deze brengt de nodige problemen met zich mee. De huidige massadichtheid van de Kuipergordel is namelijk over de hele linie vrij gering, en het is nog maar de vraag of er ooit wél genoeg materie is geweest om een planeet van het kaliber Jupiter te laten ontstaan. En hoe zit het dan met de overige gasreuzen van ons zonnestelsel? Hebben ook zij een afwijkende samenstelling en komen ze net als Jupiter van veel verder weg? Dat Jupiter het drietal heeft gepasseerd is nauwelijks denkbaar.

Oude sterren

De afwijkende samenstelling van Jupiter is niet het enige dat knaagt aan het standaardmodel van het ontstaan van het zonnestelsel. Promovendus Frank Molster van de universiteit van Amsterdam heeft, samen met collega's uit Nederland en België, onlangs aangetoond dat in de stofschijven rondom stervende sterren volop fijn steengruis aanwezig is voor de vorming van planeten. Daarbij maakten zij gebruik van een korte-golfspectrometer (SWS) aan boord van de Infrared Space Observatory (ISO).
Het is verrassend dat dit steengruis, gekristalliseerde silicaten waaruit bijvoorbeeld ook een groot deel van de mantel van onze aarde bestaat, bij zulke oude, rode reuzensterren is aangetroffen. Dit zou immers betekenen dat ook in de laatste levensfase van sterren planeten kunnen ontstaan. Maar dat is niet het meest opmerkelijke: de kristallisatie in deze oude stofschijven moet een heel andere oorzaak hebben dan die in jonge stofschijven, waarin een jonge, hete ster staat te stralen.
Het ontstaan van kristallijne silicaten -- de eerste aanzet tot de vorming van planetesimalen -- in ons eigen zonnestelsel werd tot nog toe verklaard door aan te nemen dat de deeltjes door turbulentie en vermenging in de buurt van de hete zon zijn gevormd en zich later in de protoplanetaire schijf hebben verspreid. Maar blijkbaar is het niet alleen de hitte van een ster die kristallisaties kan veroorzaken. Andere kandidaten zijn botsingen tussen de deeltjes, schokgolven, elektrische ontladingen in de stofschijf en een krachtige sterrenwind. Kortom: onze kennis van de oertijd van het zonnestelsel is nogal fragmentarisch.

Modelberekeningen

De baan van Jupiter, de samenstelling en evolutie van de protoplanetaire schijf...staat er dan helemaal niets meer vast? Het lijkt er wel op, want recente publicaties duiden erop dat ook de volgorde van de planeten in ons zonnestelsel wel eens heel anders zou kunnen zijn geweest.
Volgens Martin Duncan van Queen's University in Kingston (Canada) en zijn collega's is het erg onwaarschijnlijk dat Uranus en Neptunus op hun huidige afstand tot de zon zijn ontstaan. Deze conclusie baseren zij op het feit dat modelberekeningen moeite hebben Uranus en Neptunus te 'reproduceren'. Jupiter en Saturnus zijn volgens hen waarschijnlijk ontstaan door eerst een 5 tot 15 aardmassa's zware kern van vaste elementen te vormen en vervolgens gas uit hun omgeving op te slokken. (Ervan uitgaande dat de beide planeten wél op hun huidige plaats in het zonnestelsel zijn ontstaan, duurde deze laatste fase overigens niet veel langer dan 100.000 jaar.)
Uit recente berekeningen blijkt dat zich tussen de banen van Jupiter en Saturnus waarschijnlijk méér zware 'groeikernen' hebben gevormd. De berekeningen van Duncan en collega's laten nu zien dat deze 'overtollige' planeten door Jupiter en Saturnus in wijde, ellipsvormige banen kunnen zijn gedirigeerd. En van daaruit zouden zij (door wrijving met de materie in de oerschijf) in de loop van enkele honderdduizenden jaren naar binnen zijn gespiraliseerd. Dat zou kunnen verklaren waarom Uranus en Neptunus ondanks hun huidige, materie-arme omgeving nog een flinke omvang hebben kunnen bereiken: deze materie zouden zij bij het naderen van hun huidige baan hebben opgeveegd. Bovendien 'voorspellen' de nieuwe computermodellen ook het ontstaan van een Kuipergordel: een gebied met overgebleven planetesimalen voorbij de baan van Neptunus.
Het idee van meerdere grote planeten-in-wording op betrekkelijk kleine afstanden van elkaar wordt ondersteund door onafhankelijk uitgevoerde computersimulaties van Philip Armitage en Brad Hansen van de universiteit van Toronto (Canada). Armitage en Hansen hebben de computer laten berekenen wat er gebeurt als er in de protoplanetaire schijf rond een ster eenmaal een grote, Jupiter-achtige planeet is ontstaan. Daarbij hebben zij vastgesteld dat zo'n grote planeet het ontstaan van soortgenoten in zijn omgeving stimuleert: in het kielzog van de planeet ontstaan verdichtingen die mogelijk kunnen uitgroeien tot andere planeten. Overigens moet hierbij worden aangetekend dat de beide onderzoekers zijn uitgaan van een protoplanetaire schijf die veel meer massa dan de oerschijf van het zonnestelsel heeft gehad -- hun resultaten zijn dan ook eerder van toepassing op enkele van de planetenstelsels die bij andere sterren zijn waargenomen dan op ons eigen zonnestelsel.

De evolutie van een protoplanetaire schijf, volgens de computersimulatie van Armitage en Hansen. Afbeeldingen a en b tonen de schijf op hetzelfde moment, maar in het ene geval mét en het andere geval zónder zware planeet. Als er al vroeg in het ontstaan van een zonnestelsel zo'n zware planeet is gevormd, kunnen in het kielzog van deze de 'groeikernen' van talrijke andere planeten ontstaan (c en d). Onduidelijk is nog of deze ook daadwerkelijk tot planeten uitgroeien. (Bron: Nature 402, 9 december 1999, blz. 635)

Sleutelrol

Het probleem met al deze computersimulaties is dat hun uitkomsten sterk afhankelijk zijn van de beginsituatie die je kiest. Is een protoplanetaire schijf waarin één reuzenplaneet ontstaat wel realistisch? En hoe zeker zijn we van de opbouw van die protoplanetaire schijf? Zelfs áls zo'n computermodel een zonnestelsel oplevert dat er op het eerste gezicht uitziet als het onze, is het nog maar zeer de vraag of de details kloppen. Een vleugje argon te veel en het model is onbruikbaar.
Ruim twee eeuwen na de formulering van de regel van Titius-Bode lijkt het zonnestelsel chaotischer dan ooit. Hoe boeiend de ontdekking van al die nieuwe planetenstelsels ook is, het is een beetje frustrerend om te moeten vaststellen dat we het ontstaan van ons zonnestelsel en andere planetenstelsels nog steeds zo slecht begrijpen, misschien nog wel slechter dan we een tijdje hebben gedacht. Het enige dat op dit moment zeker lijkt is dat zware planeten, zoals Jupiter, daarbij een sleutelrol vervullen.

Overgenomen uit Zenit, februari 2000, blz. 86.