Het ontstaan van het planetenstelsel

Het ontstaan van het
planetenstelsel
De ouderdom
Geboorteweeën
De oorzaak
C. de Jager
Acht planeten in ons planetenstelsel
(en heel veel dwergplaneten, rotsblokken en stenen)
Wat is een planeet?
• Een hemellichaam dat in een baan om een ster
•
•
•
beweegt (een satelliet van een planeet – zoals onze
maan – is dus geen planeet)
Moet zodanige massa hebben dat er geen interne
kernreacties kunnen optreden, want dan is het een ster
(massa moet kleiner zijn dan 2 x 1028 kg)
Moet voldoende massa hebben om een min of meer
ronde vorm te krijgen (massa groter dan 3 x 1019 kg)
Moet zodanige baan en massa hebben dat hij niet uit
zijn omloopbaan kan worden getrokken door een
andere planeet; m.a.w. stabiele baan vereist
Ons planetenstelsel: Beweging in
vlakke schijf; de binnenplaneten
Het binnenste deel van het
planetenstelsel (zie ook de planetoïden en de
‘Trojanen’ en ‘Grieken’ in de baan van Jupiter)
Het buitenste deel met de Trans Neptunus
Objecten (TNO’s) waaronder de Kuiper
gordel) Ook Pluto is een TNO
Tot ver daarbuiten (tot ca. 150 000 AE): de
Oortwolk met tegen de biljoen ijswereldjes
Samengevat: de 4 componenten
van ons zonne- (planeten-)stelsel
• Acht planeten
• De planetoïden; hoofdzakelijk in banen tussen die van
•
•
•
Mars en Jupiter; alle kleiner dan ca. 1000 km; grootste
zijn Ceres en Vesta; ~ 200 000 bekend
De Trans Neptunus objecten (omvat de Kuiper gordel en
objecten zoals Pluto); nu meer dan 1250 bekend
Zonnestelsel is min of meer plat systeem waarbij ‘alle’
objecten in dezelfde richting lopen en wentelen met
enkele uitzonderingen, vooral in de TNO’s
Op zeer grote afstand: de Oortwolk; ca. 1012 kometen
Hoe is dit alles ontstaan?
Eerst: een blik op sterren in wording,
protoplanetaire schijven bij andere
sterren en de zoektocht naar planeten
bij andere sterren
Een gebied van stervorming; de Omega
nevel; gas klontert samen tot sterren
Tientallen miljoenen jaren later: vele sterren zijn
ontstaan en de zwaarste ervan al geëxplodeerd.
De nevel N44 in de Grote Magellaanse Wolk
Planeten ontstaan in vlakke, traag draaiende
gasschijven. De gas- en stofwolk om HD 61005
Stofring om HD216915. Is het gas hier
al tot stof of ijs samengeklonterd?
Proplyden in de Orion nevel
(proplyde = protoplanetaire schijf)
Gasschijf met planeet om de ster
Beta Pictoris. Jupiter-achtig object
Planetesimalen
• In een protoplanetaire schijf vormen zich
•
•
objecten door samenvoegen van gas tot stof en
tot stenen en zo voort.
Wanneer ze groter zijn dan ca. een km is hun
aantrekkingskracht voldoende om verder te
groeien door aantrekking van meer stofdeeltjes
Vragen: zijn deze planetesimalen de voorlopers
van planetoïden,van TNO’s en planeten? En wat
te zeggen over de objecten uit de Oortwolk?
Hebben andere sterren ook
planeten?
Extrasolaire planeten
De zoektocht naar extrasolaire planeten
• De eerste ontdekt in 1995 – 51 Pegasi B
• Oktober 2011: ca. 680 bekend en meer dan
•
•
1000 vermoedelijke planeten
Dit leidt tot ruwe schatting: ons melkwegstelsel
bevat minstens 50 miljard planeten
Tot dusver hoofdzakelijk grote planeten ontdekt,
die dicht om hun ster lopen – de ‘hete Jupiters’:
dat is een selectie-effect
Met technische kunstgrepen worden soms
de planeten zelf gefotografeerd – HD 8799
Het oorspronkelijke materiaal
waaruit de planeten ontstonden
Stofdeeltjes, stenen en stukjes
metaal vliegen nog steeds tussen
de planeten
Ontelbare steentjes tussen de planeten
• Geregeld vliegen ze de
•
•
aardatmosfeer in
Door hun grote snelheid
verdampen ze al op ca.
80 km hoogte – een
meteoor (vallende ster)
De grootste stukken
verdampen niet geheel
– meteorieten vallen
dan op de aarde
De oudste steenmeteorieten –
de chondrieten
De chondrieten vormen de grote
meerderheid van de meteorieten; het
zijn de oudste onderdelen van het
zonnestelsel
Een chondriet met enigszins
druppelvormige insluitsels – de
chondrulen
Chondriet Richardson 1918
De insluitsels - chondrulen
• Ze doen denken aan eens vloeibare en daarna
•
•
•
gestolde druppels
Bevatten vele mineralen
Vooral kenmerkend: de insluitsels van Calcium,
en Aluminium (en wat Magnesium) de CAI’s.
Het magnesium is een vervalproduct van
radioactief 26Al dat na enkele miljoenen jaren
overgaat in stabiel magnesium 26Mg (verlies van
één positieve lading)
Chondrulen in Allegan, 1899
Chondrulen zijn de oudste onderdelen van het zonnestelsel.
En in Bjurböle, 1918
De overgang van Aluminium in
Magnesium
• Bij het ontstaan van de gasnevel bevatten deze enig
•
•
•
radioactief aluminium: 26Al
26Al vervalt door uitzending van een positieve elektrische
lading en gaat over in stabiel magnesium: 26Mg; met de
tijd komt er dus steeds meer 26Mg
Uit de hoeveelheid 26Mg in de chondrulen kunnen we
afleiden hoe lang na het ‘tijdstip nul’ het chondruul
gestold is.
Het blijkt dat het stollen in slechts enkele miljoenen
jaren gebeurde; gedurende slechts een of twee miljoen
jaren was het chondruul nog vloeibaar
Planetesimaal met ijzerkern
• In de eerste ca. 1,5 miljoen jaar waren de
•
•
•
chondrulen vloeibaar en als ze in de
planetesimalen zaten dan waren deze licht
verwarmd
In een min of meer vloeibaar of nog warm
planetesimaal zakken zware elementen omlaag
Dat zijn vooral metalen zoals ijzer, nikkel
Zo ontstaat een planetesimaal met een ijzerkern
Zeer ruwe schets: een ijzerkern
omhuld door gesteente
Het gevolg van botsingen
• Botsingen met andere planetesimalen kwamen
•
•
•
•
vroeger veel vaker voor dan nu
De energie van de botsing leidt tot kleinere
brokstukken; de stukken steen bevatten
chondrulen
Deze stenen zijn de chondrieten
De versplinterde ijzerkern leidt tot het ontstaan
van ijzermeteorieten
De steen- en ijzermeteorieten leren ons dus over
de ontstaansgeschiedenis
Samenvatting ontstaansperiode
• In het beginnend planetenstelsel ontstaan door
•
•
•
samenklonteren grotere lichamen – de
planetesimalen.
Dit zijn gedurende de eerste miljoen jaren
radioactieve warmtebronnen
Het zijn dan deels gesmolten warme lichamen–
als er ijzer is zakt dat naar de kern; chondrulen
komen in de planetesimalen voor
Bij botsingen kunnen de steen- (en de metaal-)
meteorieten gevormd worden
De ouderdom van het planetenstelsel
• Ouderdomsbepalingen zijn gebaseerd op het
•
•
•
•
uiteenvallen van radioactieve atomen
Uit de verhouding tussen hoeveelheden van
oorspronkelijk materiaal en het restproduct
bepaalt men de ouderdom van het mengsel
Enkele voorbeelden: Uranium gaat over in lood,
halfwaardetijd is 4,5 miljard jaar
Kalium –> Argon; halfwaardetijd 1,3 miljard jaar
Rubidium –> Strontium; halfw. tijd 50 miljard jr
Ouderdom van het planetenstelsel;
twee soorten objecten
• a) De CAI’s vormden zich ca
•
•
4567 miljoen jaar geleden
b) toont ouderdom van ander
materiaal in chondrieten;
gevolg van latere botsingen
De eerste samenklontering
van materiaal in het
planetenstelsel gebeurde dus
4567 miljoen jaar geleden
De verdere vroege evolutie
Het planetenstelsel dreef (drijft)
uiteen
Voorbeeld: het aarde - maan stelsel
• Eb en vloed op aarde worden veroorzaakt door
•
•
de aantrekking van de maan
Door de remmende werking van de vloedberg in
de zeeën wordt de aardrotatie afgeremd: de
daglengte neemt voortdurend toe
Omdat er geen rotatie verloren kan gaan (wet
van behoud van het rotatiemoment) wordt de
afstand van aarde tot maan gestaag groter
Dit gebeurde ook in het
oorspronkelijke planetenstelsel
• Rotatiemoment ging (en gaat nog steeds)
verloren door vloedkrachten die de zon en
planeten op elkaar uittoefen(d)en
• Zo dijt het planetenstelsel uit
• Dat zal vooral snel zijn gegaan in de
beginjaren, toen de jonge planeten ijler en
dus groter waren dan nu: veel sterkere
vloedwerking
De ‘hete Jupiters’
• De ‘hete Jupiters’ zijn grote planeten die
de laatste jaren ontdekt werden bij andere
sterren
• Ze zijn groter dan Jupiter; ze lopen dicht
om ‘hun’ ster en worden dus sterk verhit
• Vermoedelijk zijn dit jonggevormde
planeten die hun uiteindelijke plaats in
hun planetenstelsel nog moeten vinden
De kleine lichamen
Sommige zijn onlangs bezocht
Het DAWN project; bezoek Vesta (2011, met
zijn grote krater) en Ceres (2015).
(de enorme krater zal inlichtingen kunnen geven over binnendelen van Vesta)
Hayabusa bezocht planetoide
Itokawa en nam wat stof mee
Een tocht van vele jaren
• Materiaal werd van de planetoïde werd
verzameld
• Meegenomen naar de aarde; landde in
Australië
• Het onderzoek is nog aan de gang; het
stof lijkt dezelfde samenstelling als
meteoorstof te hebben
Trojanen bij Jupiter en
Neptunus
Jupiter heeft vele honderden Trojanen
Maar onlangs zijn ook Trojanen bij
Neptunus ontdekt!
De Jupiter Trojanen (en Grieken)
Potentiaalvelden in het zonnestelsel; er zijn
stabiele en onstabiele libratiepunten
Neptunus-Trojanen bevestigen het
beeld van uitdijend planetenstelsel
• Tot nu toe zijn 7 Trojanen bij Neptunus ontdekt
• Op grond hiervan wordt statistisch miljoenen Neptunus
•
•
•
Trojanen verwacht
Uit reken-experimenten blijkt dat dit ingevangen Trans
Neptunus Objecten moeten zijn
Ze zijn ingevangen tijdens de migratie van Neptunus
vanaf een baan op ca. 20 Astronomische Eenheden van
de zon naar de huidige baan (op 30 AE)
Dit bevestigt het beeld van het uitdijende planeetstelsel
De mysterieuze Oortwolk
Een biljoen ‘ijsdwergen’ op afstanden tot ca.
150 000 AE van de zon. We zien enkele
daarvan als kometen.
Probleem: er zijn veel meer dan we kunnen
verklaren!
De aanvankelijke hypothese
• Hoe verklaren we zo veel ijsklompen op zo grote
•
•
•
afstanden van de zon
Ze kunnen daar toch niet zijn ontstaan (zo ver
van de zon is weinig materiaal te verwachten)
Tot dusver steeds aangenomen: ijsklompen uit
de Kuiper gordel die door planeetstoringen naar
buiten gestuwd zijn
Maar ... niet houdbare onderstelling; er zouden
dan heel veel meer Kuiper gordel objecten
moeten zijn dan we kunnen verwachten
Nieuwe evidentie; indringers!
• De meeste kometen zijn buiten het zonnestelsel
•
•
•
ontstaan
in de grote gaswolk waaruit de zon (en met de
zon vele andere sterren) afkomstig is
De ijsklomp kwam toevallig in de aantrekking
van de zon
Een komeet is dus een indringer van buiten!
Ontstaan van de Kuipergordel: een recente
Nederlandse ontdekking! (21-10-2011)
• Het Nederlandse HIFI instrument
• De ster TW Hydrae (5 – 10
•
•
•
miljoen jaar jong) is omgeven
door een schijf van stof en
waterdamp op afstand tot de ster
als die van de Kuipergordel
Dezelfde watersoort als die van
onze oceanen
Er is daar voldoende water voor
duizenden aardse oceanen
Dus: waar komen onze oceanen
nu eigenlijk vandaan?
Het begin van onze planeetvorming
• De gaswolk waaruit de planeten ontstonden
•
•
•
werd (vermoedelijk) samengeperst door een
supernova uitbarsting; wanneer vond die plaats?
Het magnesiumgehalte van de chondrulen geeft
uitsluitsel
Het magnesium ontstond toen er nog voldoende
radioactief aluminium in de gaswolk zat om
voldoende magnesium te kunnen vormen
De explosie vond dus ‘vrij kort’ daarvoor plaats
Hoe vroeg? De CAI’s geven uitsluitsel
• Bij die supernova explosie werd het radioactieve
•
•
•
aluminium gevormd
Het gaat na 1,5 miljoen jaar al voor de helft over in
magnesium
Na 15 miljoen jaar is er nog maar een duizendste ervan
over; na 30 miljoen jaar nog slechts een miljoenste deel
Bij een 30 miljoen jaar eerdere explosie zouden de CAI’s
er nooit hebben kunnen zijn; de explosie die tot het
planetenstelsel leidde moet dus niet later dan een tiental
miljoen jaren vóór het ontstaan van het planetenstelsel
hebben plaats gevonden
Sterren, met hun planeten en vele kometen
ontstaan nog steeds – de Orion nevel
Stervorming in M17 (Boogschutter)
Kort samengevat:
In een interstellaire gasnevel, samengeperst
door een supernova uitbarsting, ontstonden
sterren, veel planeten, heel veel ijslichamen
en kometen. Ons planetenstelsel werd 4567
miljoen jaar geleden geboren.