De chaos binnen onze geordende wereld

ABG#74:ABG#74
24-03-2009
11:40
Pagina 13
De chaos binnen onze geordende wereld
Over het ontstaan van sterren en planeten
De vorming van planeten rond jonge sterren is een
chaotisch proces dat veel weg heeft van de evolutieleer
in de biologie. In tegenstelling tot die laatste biedt
het echter de mogelijkheid om het proces te
bestuderen in honderden systemen en alle
ontwikkelingsstadia. door Michiel Hogerheijde
W
e
leven in een ordelijk heelal. Althans,
dat is de indruk die zich opdringt als
je naar ons zonnestelsel kijkt. De aarde
en de andere planeten bewegen keurig
op nagenoeg cirkelvormige banen rond
de zon. Op een enkele desastreuze botsing met een asteroïde na – met excuses aan de dinosauriërs – lijkt niets dit
hemels raderwerk te verstoren. Deze
schijnbare orde appelleerde aan mythe
en religie, die lange tijd het denken
over de oorsprong van de wereld domineerden. En ook de antieke Grieken,
die voor het eerst op puur rationele
gronden over het wezen van de wereld
filosofeerden, meenden ideale patronen te herkennen in de hemel.
De copernicaanse revolutie verdreef
niet alleen de aarde uit haar centrale
positie in het heelal, maar introduceerde ook de resultaten van wetenschappelijke experimenten als basis
voor ons wereldbeeld. Al in de achttiende eeuw suggereerden de filosoof
Immanuel Kant en de mathematicus
en astronoom Pierre-Simon Laplace
een hypothese over de oorsprong van
de planeten. Deze theorie zou uitgroeien tot het min of meer geaccep-
teerde model in de moderne wetenschap. Sinds een kleine vijftien jaar
wordt zij direct getoetst aan waarnemingen van nu zo’n tweehonderd
planetenstelsels rond verschillende
sterren.
De weerslag van deze verschuiving
in de richting van nieuwe wetenschappelijke experimenten is terug te vinden
in een aantal recente boeken: The Birth
of Stars and Planets door de Amerikaanse astronomen John Bally en Bo
Reipurth; het uit het Frans vertaalde
EXOplaneten. Op zoek naar leven buiten
ons zonnestelsel van Fabienne Casoli en
Thérèse Encrenaz, en de bundel Planet
Formation. Theory, Observations, and
Experiments, geredigeerd door Hubert
Klahr en Wolfgang Brandner, beiden
the birth of stars and planets
door John Bally en Bo Reipurth.
Cambridge University Press.
Cambridge 2006. 306 pag. ¤ 39,95
exoplaneten. op zoek naar
leven buiten ons zonnestelsel
door Fabienne Casoli en
Thérèse Encrenaz.
Uitgeverij Veen Magazines.
Diemen 2005. 240 pag. ¤ 39,95
planet formation. theory,
observations, and experiments
door Hubert Klahr en Wolfgang
Brandner (red.).
Cambridge University Press.
Cambridge 2006. 318 pag. ¤ 105,–
gangspunt van hun beschrijving van
het proces van planeetvorming. Beide
koppels benadrukken dat dit proces
chaotisch is, maar omdat wij in een
ordelijk zonnestelsel leven wordt toch
de indruk gewekt dat de uitkomst ervan
eenduidig is. Wie Klahr en Brandner
leest, wordt van deze beweerde orde-
‘De antieke Grieken meenden ideale patronen te
herkennen in de hemel.’
verbonden aan het Heidelbergse MaxPlanck-Institut für Astronomie. Terwijl
de eerste twee titels zich richten op een
algemeen publiek, is het boek van Klahr
en Brandner bestemd voor academici.
Desondanks is het redelijk leesbaar
en bevat het een meer gedetailleerde
beschrijving van de subtiele effecten
die een beslissende rol lijken te spelen
tijdens de vorming van planeten. Zowel
Bally en Reipurth als Casoli en Encrenaz nemen het zonnestelsel als uit-
lijkheid verlost en krijgt een indruk van
de reeks toevalligheden die leidt tot een
grote diversiteit aan planeetsystemen.
Bally en Reipurth vatten in hun goed
verzorgde publicatie de huidige kennis
samen over de vorming van sterren en
planeten. Hoewel zij geen achtergrondkennis veronderstellen, zijn zij toch in
staat geweest om zonder veel concessies een breed terrein te overzien. Daarbij gaan zij wel uit van het vermogen
de academische boekengids 74 Mei 2009 pagina 13
ABG#74:ABG#74
24-03-2009
11:40
Pagina 14
Infraroodbeeld van de gas- en stofwolk rond protoster HH 46/47. Bron: NASA.
van de lezer om complexe argumenten
te volgen. Hun betoog bestaat uit drie
delen. Het eerste deel beschrijft de vorming van sterren uit gigantische wolken van voornamelijk waterstofgas die
zich her en der in de Melkweg bevinden, net zoals in andere sterrenstelsels.
Als zulke wolken onder hun eigen
gewicht ineenstorten, balt het gas zich
samen in wat uiteindelijk een ster wordt.
Kleine afwijkingen in de bewegingen
van het gas zorgen ervoor dat de protoster om zijn as begint te tollen en dat het
gas dat zich nog niet in de ster bevindt
deze gaat omringen als een platte schijf.
Waarnemingen met moderne telescopen laten zien dat de meeste jonge
van stervorming te behandelen. Bovenstaand scenario geldt voor individuele
sterren; in werkelijkheid ontstaan de
meeste sterren in groepen van honderden tot duizenden tegelijk, wanneer
ineenstortende gaswolken fragmenteren. De jonge sterren gaan hierbij een
intense competitie aan om materiaal
in te vangen. Ook kunnen bijna-botsingen tussen de sterren de omringende
gasschijven kortwieken of vernietigen.
Ten slotte is er een reële kans dat dergelijke grote sterclusters een klein aantal zeer zware en zeer heldere sterren
zullen herbergen: de hitte van zulke
sterren kan gasschijven rond nabije
sterren doen verdampen.
‘Het is misschien eenvoudiger te accepteren dat we
leven op een planeet die slechts door kosmisch toeval
is ontstaan dan in de wetenschap “van de apen af te
stammen”.’
sterren vergezeld gaan van dergelijke
schijven. Uit deze schijven ontstaan
vervolgens planeten.
In hun beschrijving schromen Bally
en Reipurth niet om de complexiteit
In het tweede deel van hun boek
beschrijven Bally en Reipurth de vorming van planeten (het derde deel
beschouwt ster- en planeetvorming in
de context van het heelal als geheel). Ze
doen dit door expliciet het zonnestelsel
als leidraad te nemen en volgen het
kader van de theorie van Kant-Laplace.
De wolk die de voorloper was van de
ster bestaat weliswaar voornamelijk uit
waterstofgas, maar ongeveer één procent van het gewicht betreft microscopisch kleine silicaat- en graffietkorreltjes, een soort zandkorreltjes en
roetdeeltjes die ooit gevormd zijn in de
‘walm’ van uitdovende sterren. Deze
korreltjes zijn zo klein dat ze met het
gas meezweven, net als de stofjes die je
in een straal zonlicht kunt zien in een
verder verduisterde kamer. Zo trekken
de korreltjes samen met het gas hun
baantjes in de schijf rond de jonge ster.
Door toevallige onderlinge botsingenklonterendekorreltjesechtersamen
tot grotere afmetingen. In enkele honderdduizenden jaren groeien ze zo uit
tot grintkorrels van ruwweg een centimeter. Op grint van deze grootte heeft
het gas geen vat meer, zodat een tweedeling ontstaat in de schijf. De grintkorrels zullen volgens de wetten van
Newton hun baan trekken rond de ster,
net zoals de aarde dat doet rond de zon
en de maan rond de aarde. Het gas
beweegt echter net iets langzamer. Het
voelt immers ook het effect van de gasdruk, die dichter bij de ster hoger is.
De aantrekkende kracht van de ster
wordt voor een klein deel gecompenseerd door de uitwaartsgerichte gasdruk, zodat een iets lagere omloopsnelheid volstaat om het gas in zijn baan
te houden. Hoewel de grintkorrels te
groot zijn om met het gas mee te zweven, voelen ze wel de tegenwind van het
langzamer stromende gas. Dit remt de
korrels af, waarna ze onherroepelijk
naar de ster toe beginnen te vallen.
Berekeningen suggereren dat zij binnen een paar duizend jaar op de ster
vallen. Dit zou de mogelijkheden voor
planeetvorming tot een vroegtijdig einde
brengen.
Dit obstakel wordt echter omzeild
doordat schijven, net als de aardse
atmosfeer, hoge- en lagedrukgebieden
hebben, zeg maar ‘weer’. Rond een
hogedrukgebied ontstaat als gevolg
van de lokale overdruk een ‘anticyclonische’ circulatie. De variërende rug-
de academische boekengids 74 Mei 2009 pagina 14
ABG#74:ABG#74
24-03-2009
11:40
Pagina 15
en tegenwind drijft de grintkorrels het
hogedrukgebied in. Computersimulaties laten zien dat ‘weer’ in de schijf de
concentratie grintkorrels in hogedrukgebieden dermate hoog kan laten oplopen dat zij relatief snel samenklonteren tot lichamen van ruwweg een
kilometer doorsnede. Dergelijke grote
planetesimalen zijn zwaar genoeg om
ongehinderd door rug- of tegenwind
hun banen rond de ster te trekken.
hierbij een beroep te doen op de veronderstelde, maar uiteindelijk onverifieerbare, reactie van beide heren.
Klahr en Brandner presenteren met
Planet Formation een bundel conferentiebijdragen. Het verbaast dan ook niet
dat zij in veel groter detail ingaan op de
rol van ‘weer’ in de schijven om de
groei van grint tot planetesimalen te
verklaren. Een ander aspect waaraan
‘Planeetvormingen zijn geen ordelijke processen met
een voorspelbare uitkomst.’
Toevallige botsingen tussen deze planetesimalen kunnen, afhankelijk van
de relatieve snelheden en oriëntaties,
resulteren in verpulvering of samensmelting. Computersimulaties laten
weer zien dat het nettoresultaat van dit
wanordelijke proces bestaat uit een
handvol objecten van ruwweg de afmeting van de aarde. Er blijven nog talrijke
planetesimalen over in de schijf, maar
de populatie is inmiddels zodanig uitgedund dat deze nauwelijks meer
onderling botsen. De rotsachtige fractie van het toekomstige planeetstelsel
is nu ‘af’.
Bally en Reipurth merken op dat de
kritieke groeifase die van centimeters
tot kilometers is, maar zij gaan niet
verder in op mogelijke oplossingen,
behalve de terechte constatering dat
schijven kennelijk een uitweg vinden
uit deze impasse. Het valt de auteurs
niet te verwijten dat zij deze leap of faith
maken. Hun boek bestrijkt een groot
terrein in slechts 300 bladzijden en het
is onvermijdelijk dat hierbij een aantal
details onderbelicht moet blijven. Wel
maken zij zich soms schuldig aan ‘populaire’ opmerkingen. Zo melden zij dat
Kant en Laplace ervan versteld zouden
hebben gestaan als zij hadden gezien
hoe goed hun hypothese overeenkomt
met opnamen van schijven rond jonge
sterren verkregen van de Hubble Space
Telescope. Die overeenkomst is inderdaad verbazend, maar het is onnodig
een aantal bijdragen is gewijd, is de
groei van reuzenplaneten en hun bewegingen door de schijf. Om gasreuzen
zoals Jupiter of Saturnus te vormen,
met een gewicht honderden malen dat
van de aarde, of de zware planeten die
tot nu toe rond andere sterren zijn
gevonden, is niet alleen rots maar een
veel grotere hoeveelheid gas nodig.
Astronomische waarnemingen laten
zien dat de gemiddelde schijf ‘slechts’
twee tot drie miljoen jaar over voldoende gas blijft beschikken.
vergeleken met de beschikbare twee à
drie miljoen jaar. Maar kennelijk zijn
(sommige) schijven efficiënter dan
gedacht in het creëren van objecten van
tien aardmassa’s. Bijvoorbeeld doordat
zeer hoge concentraties van grintkorrels en planetesimalen worden bereikt
in hogedrukgebieden, waar bovendien
de lage relatieve snelheden in het ‘oog’
van de ‘anticycloon’ zorgen voor het
samensmelten van botsende planetesimalen in plaats van verpulvering. Een
alternatieve verklaring is een grootschalige instabiliteit van de schijf, waardoor deze fragmenteert en een gasreus
vormt zonder tussenkomst van een
rotskern. Over de relatieve merites van
beide processen lopen de meningen
uiteen.
Hoewel de gasreuzen nu gevormd
zijn en tevens een aantal aardachtige
rotsplaneten in het systeem aanwezig
is, betekent dit nog niet dat het systeem zijn definitieve configuratie heeft
bereikt. In de eerste plaats zijn gasreuzen zo zwaar dat ze getijden opwekken
in de schijf, net zoals de zon en de maan
dat doen in de aardse oceanen. Als
gevolg hiervan verliest de gasreus snelheid en zal hij langzaam naar de ster
toe migreren. Zolang er nog voldoende
gas in de schijf is, zal de migratie door-
‘De “wet” die een regelmaat onderkent in de afstand van
de verschillende planeten tot de zon dient naar het rijk
der fabelen te worden verwezen.’
Gelukkige omstandigheden zijn dus
vereist om binnen die tijd een aantal
planetesimalen te laten aaneengroeien
tot pakweg tien keer het gewicht van de
aarde, voldoende om een grote hoeveelheid ijl waterstofgas te kunnen aantrekken. In deze zogenaamde oligargische fase zal een klein aantal lichamen
zich meester maken van het merendeel
van het beschikbare materiaal en uitgroeien tot gasreuzen. Berekeningen
suggereren dat deze fase pas na tien à
dertig miljoen jaar aanbreekt, te laat
gaan, totdat de planeet tot aan de binnenrand van de schijf gemigreerd is.
Deze migratie verklaart de zogenaamde
hot Jupiters, de gasreuzen die op zeer
kleine afstand van hun ster zijn gevonden, waar ze nooit kunnen zijn ontstaan. Maar zelfs als de migratie van de
gasreuzen eindigt, hebben de planeten
nog niet hun definitieve baan bereikt.
Gedurende enkele honderden miljoenen jaren zullen zij, verstoord door hun
onderlinge aantrekkingskracht, op zoek
gaan naar stabiele banen. Als dit lukt,
de academische boekengids 74 Mei 2009 pagina 15
ABG#74:ABG#74
24-03-2009
11:40
Pagina 16
vinden we een systeem zoals het zonnestelsel; als er geen stabiele configuratie
kan worden gevonden, kan het systeem
eindigen met het wegslingeren van een
of meer planeten.
Deze migratiepatronen verklaren
ook waarom bijvoorbeeld in ons eigen
zonnestelsel de banen van Neptunus
en Pluto resoneren: voor elke drie omlo-
planetesimalen in ons zonnestelsel, de
talrijke asteroïden en meteorieten.
De chaos aan de basis van planeetvorming is goed te vergelijken met het
willekeurige gedrag van het weer – de
spreekwoordelijke vlinderslag op één
continent die leidt tot een orkaan op
een ander continent – dat uitmondt in
de ogenschijnlijke orde die we ‘kli-
‘Een reeks toevalligheden leidt tot een grote diversiteit
aan planeetsystemen.’
pen van Neptunus voltooit Pluto er
exact twee. Hoewel dit een zeer stabiele
configuratie is, is de kans verwaarloosbaar klein dat twee planeten precies op
dergelijke banen worden gevormd.
Veel waarschijnlijker is dat in de vroege
‘dans’ van de planeten beide objecten
bij toeval in resonantie zijn geraakt om
elkaar daarna nooit meer los te laten.
Ook planetenstelsels rond andere sterren laten dergelijke resonanties zien.
De in Planet Formation gebundelde
verhandelingen maken duidelijk dat
planeetvormingen geen ordelijke processen zijn met een voorspelbare uitkomst, maar chaotisch, dat wil zeggen:
kleine afwijkingen veroorzaken uiteindelijk grote verschillen. Het proces
wordt beïnvloed door diverse krachten
die nagenoeg in evenwicht verkeren.
De ogenschijnlijke orde van het zonnestelsel berust dus op een statistische
fluctuatie.
De ‘wet’ van Titius-Bode, die een
regelmaat onderkent in de afstand van
de verschillende planeten tot de zon
– 4, 7, 10, 16, 28, ...; ik laat het aan de
verknochte puzzelaar over om hierin
een patroon te herkennen – dient derhalve naar het rijk der fabelen te worden verwezen, samen met theorieën
die patronen menen te herkennen in
de afmetingen van de piramiden en
dergelijke getalacrobatiek. Toch moet
de vingerafdruk van de chaotische
vormingsgeschiedenis van het zonnestelsel zijn terug te vinden in eigenschappen van de overblijfselen van de
maat’ noemen. Of, nog beter, met de
ontelbare en ongerichte interacties die
resulteren in de evolutie van het leven
op aarde. Deze analogie zou dezelfde
weerstand kunnen opwekken die ook
de evolutieleer ten deel valt. Hoe kan
een stabiel zonnestelsel het resultaat
zijn van zulke simpele en volledig ongerichte processen als de samenklontering van roetdeeltjes en willekeurige
botsingen tussen planetesimalen? Als
we alleen het zonnestelsel beschouwen, of alleen het leven op aarde, is een
dergelijke vraag natuurlijk zinloos: hij
zou immers niet gesteld kunnen worden in een planetenstelsel zonder stabiele banen of op een planeet waar evolutie niet tot intelligent leven heeft
geleid. Met een steekproef van één is
het moeilijk redeneren.
van de aarde in het heelal en de oorsprong van de wereld.
Toen in het antieke Griekenland de
discussie over het wezen van de wereld
zich losmaakte van de mythe, waren er
twee kampen te onderscheiden: degenen die argumenteerden dat de aarde
uniek is, zoals Aristoteles, stonden
tegenover degenen die argumenteerden dat er een oneindig aantal werelden van grote diversiteit bestaat, zoals
Epicurus. Over de oorsprong van de
wereld maakten zij zich minder druk
en, zoals gebruikelijk, bedienden deze
Grieken zich uitsluitend van zuiver
logische redenaties. In de renaissance,
toen waarnemingen en experimenten
in zwang raakten, zou de oorsprongsvraag zich aandienen, nadat de astronoom Nicolaus Copernicus, met helpende hand van Galileo Galilei, Tycho
Brahe en Johannes Kepler, de aarde
definitief uit het middelpunt van het
heelal had verdreven. In de zeventiende eeuw beschreef René Descartes
in zijn Principia philosophiae de bewegingen in het zonnestelsel als een serie
vortices (stromingen om een as) en
postuleerde dat materiestromen tussen de vortices kunnen resulteren in de
vorming van een planeet.
In 1734 stelde de filosoof Emanuel
Swedenborg vervolgens meer expliciet
dat de oorsprong van het zonnestelsel
in een vortex schuilt. Niet veel later
(1755) formuleerde Kant de hypothese
dat de zon en de planeten zijn voort-
‘Gasreuzen zijn zo zwaar dat ze getijden opwekken
rond de ster.’
Doordat Casoli en Encrenaz, in tegenstelling tot Bally en Reipurth, de diversiteit van planetenstelsels rond andere
sterren als uitgangspunt nemen van
hun behandeling van het ontstaan van
planeten, leggen zij meer nadruk op de
willekeurigheid en ongerichtheid van
het proces. Zij plaatsen dit ook in een
breder kader van de historische ontwikkeling van het denken over de plaats
gekomen uit een wolk van deeltjes –
waarmee het wetenschappelijke concept van een uit atomen en moleculen
opgebouwde werkelijkheid zich aandiende. Een paar decennia later voegde
Laplace hieraan toe dat de planeten
zijn voortgekomen uit een wolk die is
uitgestoten door de zon; een hypothese die bijvoorbeeld kan verklaren
waarom alle planeten in dezelfde rich-
de academische boekengids 74 Mei 2009 pagina 16
ABG#74:ABG#74
24-03-2009
11:40
Pagina 17
Impressie van de gasreus TrES-3b, een zogenaamde Hot Jupiter. Bron: Sterrewacht Leiden.
ting rond de zon bewegen. Met William Herschels ontdekking van het
bestaan van gaswolken tussen de sterren – dat wil zeggen: het ruwe materiaal
waaruit sterren ontstaan – tekenden
zich de contouren af van de gangbare
solar nebula-theorie over het ontstaan
van het zonnestelsel, vaak aangeduid
als de theorie van Kant-Laplace. Het
moderne begrip van de vorming van
planeten en vooral van het zonnestelsel is hieraan schatplichtig.
Hoewel Casoli en Encrenaz planeetvorming in een breder historisch kader
plaatsen en meer nadruk leggen op de
willekeurigheid van het proces en de
diversiteit van de uitkomsten, gaan zij
toch minder diep dan bijvoorbeeld Bally
en Reipurth. Bovendien bezondigen zij
(of hun Nederlandse vertaler) zich aan
het veelvuldig gebruik van uitroep- en
beletseltekens (...), en schemert het
oorspronkelijke Frans nog wel eens
door de Nederlandse vertaling heen.
De waarde van de tekst van Casoli en
Encrenaz ligt in het feit dat zij de ontdekking van planeten rond andere sterren en de kennis over hun ontstaan
plaatsen in een lange geschiedenis
waarin de positie van de mens in de
wereld een steeds minder centraal en
allengs meer ‘toevallig’ karakter krijgt.
Deze geschiedenis is doorweven met
kosmisch toeval is ontstaan dan in de
wetenschap ‘van de apen af te stammen’. In tegenstelling tot de evolutiebiologen, die slechts met een steekproef
van één kunnen werken, hebben astronomen het voordeel dat zij sinds de
jaren negentig van de vorige eeuw kunnen verwijzen naar een paar honderd
planeetsystemen. De creationistische
‘Met een steekproef van één is het moeilijk redeneren.’
kritiek uit religieuze en andere hoeken,
die tot op heden voortduurt in de vorm
van creationisme en intelligent design.
Dat pleitbezorgers van deze visie hun
pijlen nog niet hebben gericht op de
sterrenkunde betekent misschien dat
het eenvoudiger is te accepteren dat we
leven op een planeet die slechts door
ammunitie zou aanmerkelijk minder
krachtig zijn als biologen het evolutieproces konden illustreren aan de hand
van eenzelfde groot aantal systemen.
Michiel Hogerheijde is universitair docent
sterrenkunde aan de Universiteit Leiden.
de academische boekengids 74 Mei 2009 pagina 17