zonnestelsel

Hoeveel hemellichamen kunnen er idealiter in de leefbare zone van een ster worden gepropt? Astrofysicus Sean Raymond beet zich in die vraag vast en komt met indrukwekkende resultaten: met een beetje handigheid passen er wel zestig in!

Ons zonnestelsel telt acht planeten. En daarmee is het – zeker in vergelijking met andere zonnestelsels die tot op heden zijn ontdekt, aardig druk bevolkt. Van die acht planeten is er – voor zover we weten – eentje waarop leven mogelijk is. Toen astrofysicus Sean Raymond naar een plaatje van ons zonnestelsel keek, vroeg hij zich af of het mogelijk was om efficiënter gebruik te maken van de ruimte. Hij was met name benieuwd of het mogelijk was om meer hemellichamen in de leefbare zone rond onze ster te plaatsen. Hij ging wat schuiven en hield zich daarbij aan twee regels: hij moest alle planeten en grote manen in het zonnestelsel behouden. En de banen die de planeten volgden, moesten ook intact blijven (wel mochten planeten van baan wisselen). Hij creëerde zo een zonnestelsel met zeven mogelijk leefbare planeten (zie de afbeelding hieronder). “Dit betere systeem is ietsje anders dan het zonnestelsel dat we nu hebben,” zo schrijft hij op zijn blog. “Venus is één van de manen van Jupiter geworden, Jupiter bevindt zich in de baan van Mars en Mars bevindt zich in de baan van Venus en de maan van de aarde is omgewisseld met Titan.”

zonnestelsel

Het ultieme stelsel
Een interessante gedachtegang. En het smaakte naar meer. Het bracht Raymond op het idee om het ultieme zonnestelsel te bouwen. “Ik wil een planetair systeem bouwen met het grootst mogelijke aantal leefbare werelden,” schrijft hij. Het is vanzelfsprekend allemaal denkbeeldig. “Maar wel verbeelding beperkt door de wetenschap.”

Ster
De bouw van het ultieme zonnestelsel begint natuurlijk bij het hart ervan: de ster. Raymond heeft de keuze tussen een ster zoals onze zon of een rode dwerg. Sterren die groter zijn dan de zon zijn geen optie, omdat ze niet zo lang meegaan. Raymond kiest voor een rode dwerg die ongeveer 50 procent van de massa van onze zon heeft. “Deze sterren leven veel langer dan de zon en veranderen veel geleidelijker van helderheid. Hun leefbare zone bevindt zich dicht genoeg bij de ster om getijdenwerking mogelijk te maken.” Het gaat om een zwakke getijdenwerking die te zwak is om tot enorme vulkanische uitbarstingen te leiden, maar sterk genoeg is om platentektoniek in de leefbare zone mogelijk te maken en die leefbare zone te verbreden. Als belangrijk argument voor zijn keuze stelt Raymond dat we rond dergelijke sterren al planeten in de leefbare zone ontdekt hebben. Hij denkt dan aan Kepler-186f. “We hebben (nog) geen planeten ter grootte van de aarde in de leefbare zone van zonachtige sterren ontdekt.”

Platentektoniek

Waarom is platentektoniek zo belangrijk voor een leefbare planeet? Platentektoniek zorgt ervoor dat de bouwstoffen die primitieve levensvormen nodig hebben (waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel, fosfor, enzovoort) worden aangevuld. Ook speelt platentektoniek een cruciale rol in het regelen van de temperatuur op aarde (nog altijd ons beste voorbeeld van een leefbare planeet). Om de temperatuur op aarde stabiel te houden, moet de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer beperkt blijven. De platentektoniek helpt daarbij door een deel van de koolstof diep in de aardkorst te begraven. Zonder platentektoniek zou er veel meer koolstof in de atmosfeer zitten en zou de aarde wellicht helemaal niet al zo’n lange tijd zo’n prettige planeet zijn om te leven. Wellicht zag onze planeet er dan net zo uit als de gloeiendhete Venus.

De planeten
Na de ster gaat Raymond op zoek naar de planeten die nodig zijn om een ultiem zonnestelsel te kunnen bouwen. Die planeten mogen niet te klein (kleiner dan dertig procent van de massa van de aarde) zijn. Kleine planeten hebben namelijk te weinig zwaartekracht om hun atmosfeer miljarden jaren op rij vast te houden. Ook beschikken ze over te weinig interne warmte om de platentektoniek miljarden jaren draaiende te houden. De planeten moeten echter ook niet te groot (meer dan twee keer zo groot als de aarde) zijn. Deze planeten bestaan namelijk voornamelijk uit gas en hebben dus geen oppervlak om op te staan. Daarnaast moeten de planeten ook niet te droog of te nat zijn en zou het prettig zijn als ze een atmosfeer, oceanen en continenten hadden. “Dat vertaalt zich naar werelden die tussen 0,5 en twee keer zo groot zijn als de aarde, met tussen de tien keer minder en tien keer meer water dan de aarde.” Overigens wil dat niet zeggen dat er voor gasplaneten helemaal geen plekje is weggelegd in dit ultieme zonnestelsel. Raymond wijst erop dat we meer leefbare werelden in ons zonnestelsel kunnen stoppen als we ze tot manen van gasreuzen maken.

De baan
Nu de ster en planeten zijn uitgekozen, is het tijd voor een volgende uitdaging: de baan van de planeten. Dat is nog niet zo eenvoudig. Natuurlijk wil Raymond zoveel mogelijk planeten in zijn stelsel ‘proppen’, maar tegelijkertijd moet dat systeem wel stabiel blijven. “Kleine planeten kunnen dichter bij elkaar worden geplaatst dan grote planeten. We kunnen veertien van de kleinste planeten in de leefbare zone van onze gekozen ster kwijt of zeven planeten ter grootte van de aarde, maar slechts drie tot vier van de grootste planeten (tien keer groter dan de aarde) kwijt.” Dat klinkt logisch. Maar het aantal planeten waar Raymond over praat, is nog niet indrukwekkend. Gelukkig heeft Raymond nog wat trucjes achter de hand om ervoor te zorgen dat er meer hemellichamen in het zonnestelsel passen. “Een gasreus kan over tot wel vijf manen beschikken die groot genoeg zijn om leefbaar te zijn,” zo stelt hij. “De planeten die wij gekozen hebben, kunnen ook grote manen bezitten, maar waarschijnlijk maar eentje per planeet.” Daarmee wordt het aantal leefbare hemellichamen al flink vergroot. Maar Raymond is nog niet tevreden. Hij haalt ook de Trojanen nog van stal. Dit zijn planetoïden die dezelfde baan volgen als een planeet (ze zijn voornamelijk nabij Jupiter te vinden). Als een ruimtesteen te dicht bij Jupiter in de buurt komt, zorgt de zwaartekracht van de gasreus ervoor dat deze steen weggeslingerd wordt. De Trojanen bevinden zich echter op zestig graden voor en zestig graden achter Jupiter en hebben niets van de gasreus te vrezen. De plekken waar de Trojanen zich bevinden, worden aangeduid met L4 en L5. “L4 en L5 zouden stabiele eilandjes zijn voor een planeet ter grootte van de aarde. Misschien zelfs één met een grote maan. Sterker nog: twee planeten ter grootte van de aarde – eentje op L4 en eentje op L5 – zou nog stabiel zijn. In sommige omstandigheden zou zich op L4 of L5 nog een andere gasreus kunnen bevinden. “Met manen en Trojanen kunnen veel werelden dezelfde baan volgen. Dat betekent dat we meer werelden ter grootte van de aarde in de leefbare zone kunnen plaatsen.”

24 planeten
Op basis van alle ingrediënten kunnen twee volgepakte – stabiele – zonnestelsels gemaakt worden. Het eerste zonnestelsel bestaat uit een rode dwerg en planeten die ongeveer net zo groot zijn als de aarde. Raymond toont aan dat hij zes banen in de leefbare zone kan proppen. Elke baan wordt gevolgd door twee hemellichamen: een planeet die ongeveer net zo groot is als de aarde en een maan die ongeveer net zo groot is als de aarde. Elk ‘stelletje’ wordt achtervolgd, zoals Trojanen Jupiter achtervolgen. De achtervolgers bestaan uit een planeet en maan ter grootte van de aarde. Zo passen in de leefbare zone van dit zonnestelsel maar liefst 24 leefbare werelden.

zonnestelsel

Indrukwekkend. Maar kan er echt niet meer in? Jawel. Maar daarvoor moeten we toch de gasreuzen van stal halen. Raymond plaatst er vier in de leefbare zone rond de rode dwerg. “Elk van deze kan tot vijf mogelijk leefbare manen hebben.” Bovendien kan elke gasreus voor en achter zich een dubbelplaneet hebben (in L4 en L5). Zo passen er al snel 36 werelden in de leefbare zone.

zonnestelsel

Is dit het dan? Nee! Raymond gooit er nog één trucje tegenaan. Hij combineert de twee zonnestelsels. “We kunnen ze samen in één dubbelstersysteem plaatsen. Natuurlijk vormen dubbelsterren een bedreiging voor planetaire systemen. Een dubbelster die te dichtbij of te ver weg staat, kan roet in het eten gooien. Maar als de afstand tussen de twee sterren 100 keer zo groot is als de afstand tussen de zon en de aarde lijkt er niets aan de hand te zijn. Het resultaat is een zonnestelsel met zestig werelden in de leefbare zone. “Dit is mijn ultieme zonnestelsel.”

zonnestelsel

Dat het een interessant gedachte-experiment is, staat buiten kijf. Maar wat wil Raymond hier nu werkelijk mee bereiken? Hij hoopt mensen aan het denken te zetten over sterren en planeten, ze aan te moedigen om vragen te stellen en vooral aan iedereen te laten zien dat wetenschap gewoon hartstikke leuk is. Wat ons betreft is dat gelukt!