de samenvatting (word-doc)

Universiteit Derde Leeftijd Leuven – Cyclus ‘De Wetenschap van de Kosmos’
Christoffel Waelkens
IV. De Geologie van Planetenstelsels
Ons zonnestelsel: een overzicht
Rond de Zon bewegen acht planeten in elliptische banen die allen dicht bij het evenaarsvlak van de Zon zelf aanleunen. De vier ‘aardse’ planeten, het dichtst bij de Zon, zijn
grote rotsballen, met een vast oppervlak; de grootste hebben de dichtste atmosferen. Op
die planeten is niet waterstof of helium, maar zuurstof het meest voorkomende element.
De vier verste planeten van de Zon zijn veel groter, het zijn gas- en ijsreuzen; hun
samenstelling leunt wel goed of althans beter aan bij die van de Zon.
Naast die planeten bewegen tal van kleinere lichamen rond de Zon. Tussen Mars en
Jupiter bevinden zich vele kleine rotsachtige planeten in de asteroïdengordel; voorbij
Neptunus begint een tweede gordel met meer ijsachtige objecten, de Kuipergordel. Door
storingen van hun banen door Jupiter kunnen dergelijke ijsballen in een baan
terechtkomen die hen dicht bij de Zon brengt, en dan worden ze kometen; een ander
reservoir van kometen, de Oortwolk, bevindt zich veel verder van de Zon.
Het ontstaan van ons zonnestelsel
De hoger beschreven karakteristieken van ons zonnestelsel passen in een scenario voor
de vorming ervan dat begint bij de stof- en gasschijven waarmee jonge sterren geboren
worden. Het is uit het stof eerder dan uit het gas dat planeten beginnen te groeien,
omdat die stofdeeltjes gemakkelijk aaneenklitten: na enkele honderduizenden jaren zijn
de minuskule stofdeeltjes gegroeid tot de grootte van tennisballen. Hoe de groei dan
verder gebeurt, zijn we niet zo zeker; verschillende modellen zijn voorgesteld, maar
duidelijke bewijzen wie (on)gelijk heeft, zijn er niet. Maar vanaf afmetingen van de orde
van een km weten we het wel: dan is er voldoende massa in die ‘planetesimalen’ om ze
via gravitatie verder samen te brengen tot uiteindelijk een beperkt aantal macroscopische
planeten overblijven tussen enig restafval.
Omdat het stof vooral uit de (chemisch actievere) zwaardere elementen bestaat, verklaart
dit scenario goed de vorming van rotsachtige planeten met een aardse samenstelling.
Maar ook de gasplaneten passen erin: verder van de Zon is het kouder, en abundant
voorkomende moleculen die dicht bij de Aarde in de gasfase voorkomen, zijn verder ijs
geworden, en dat plakt mee met het stof; de vaste planeten die zich daar vormen, zijn dus
veel groter en zwaarder, zwaar genoeg om het gas eromheen (waarin veel meer massa zit
dan in het stof) aan zich te binden en uit te groeien tot heel grote planeten; uiteindelijk
bestaan die uit meer gas dan stof, en is hun samenstelling beter vergelijkbaar met deze
die typisch is in de kosmos.
In dit beeld is het niet toevallig dat de eerste gordel van kleine planten zich bevindt in het
overgangsgebied tussen aardse en reuzenplaneten: het zijn planetesimalen die het niet
gehaald hebben en door Jupiter verstoord zijn. De Kuipergordel dan weer is een gebied
waar de materiedichtheid, wegens te ver, te klein was om planeten te maken.
Andere planetenstelsels
We weten dat de meeste sterren geboren worden met schijven er omheen. Als de
vorming van planetenstelsels in dergelijke schijven een normaal proces is, dan volgt daar
meteen uit dat planetenstelsels veelvuldig moeten voorkomen in het heelal. Toch heeft
het tot 1995 geduurd vooraleer de evidentie voor ‘exo’-planeten duidelijk was. Het is
inderdaad niet gemakkelijk planeten te zien naast de zoveel helderdere sterren. Detectie
van planeten is dan ook meestal indirect: door de kleine bewegingen die ze induceren op
hun moederster of door de verduisteringen van kleine stukjes ster wanneer een planeet in
haar baan zich tussen ons en die ster bevindt. Thans gaat er geen week voorbij zonder
dat nieuwe exoplaneten worden gevonden, de teller staat al op meer dan 700.
De huidige planetengekte heeft uiteraard te maken met de zoektocht naar een wereld die
op de onze gelijkt, en de tijd is niet veraf dat de metingen precies genoeg kunnen zijn om
dergelijke kleine planeten te vinden, al dan niet op de goede afstand van hun ster om
vloeibaar water – een noodzakelijk geachte voorwaarde voor leven – te vinden. Maar
ook met de verrassende verscheidenheid van planetenstelsels in het heelal. Vele stelsels
blijken heel anders te zijn dan het onze, met langgerekte elliptische banen en ook met
reuzenplaneten dicht bij hun ster. Dat laatste is het meest onverwachte, want om reuzen
te vormen, is ijs nodig, en dat is er niet dicht bij sterren.
Toch blijven de meeste specialisten het scenario met vorming van reuzenplaneten ver
van een ster trouw. Het moet dan zo geweest zijn dat die planeten gemigreerd zijn naar
hun moederster toe. Dat lijkt erg ad hoc, maar toch wat minder wanneer men bedenkt
dat het eigenlijk theoretisch was voorspeld voordat het gevonden was. De oorzaak is de
interactie van planeten met het gas waarin ze geboren zijn: dat gas plakt niet, maar het
vertegenwoordigt veel massa, die door getijdenkrachten dominant kan zijn voor de
dynamische evolutie van het stelsel, met migratie naar binnen of naar buiten. De vraag
wordt dan eerder waarom een dergelijk proces bij ons Jupiter niet heeft doen migreren!
De studie van exoplaneten is in de sterrenkunde van de 21ste eeuw één van de gebieden
die het meest in ontwikkeling zijn, zowel op theoretisch gebied als op dat van de
methoden om de planeten waar te nemen. We verwachten dat we binnenkort vrij goed
gaan weten welke fractie van sterren als de Zon planeten hebben en hoe die systemen
typisch opgebouwd zijn. Ook wordt de rechtstreekse detectie en de studie van planeten
en zelfs van hun atmosferen steeds beter mogelijk. Het is een spannende tijd.
Terugkoppeling naar ons eigen zonnestelsel
Als migratie van planeten onvermijdelijk lijkt en inderdaad zoveel schijnt voor te komen,
waarom is het dan bij ons niet gebeurd? Of is het misschien wel in zekere mate gebeurd?
Het lijkt inderdaad dat ook in ons zonnestelsel de vroege geschiedenis rijker was dan we
dachten. Neptunus en Uranus zijn wellicht dichter bij de Zon geboren dan waar ze nu
staan en hebben onderweg van plaats verwisseld. Dat zou gebeurd zijn ongeveer 500
miljoen jaar na het ontstaan van het zonnestelsel, in een proces waarbij vele objecten van
de Kuipergordel naar binnen zijn gekatapulteerd, misschien de oorzaak van het water in
onze oceanen. Deze ‘late heavy bombardment’ was de laatste van vele schrikwekkende
gebeurtenissen in de vroege geschiedenis van ons zonnestelsel, gebeurtenissen waarvan
de planeten vandaag nog de littekens dragen.