zooitje

Lang geleden waren er in het hart van ons zonnestelsel mogelijk een aantal superaardes te vinden. Een dolende Jupiter rekende echter met deze superaardes af en maakte ruimte voor onder meer de aarde. Jupiter, bedankt!

Dat schrijven onderzoekers in het blad Proceedings of the National Academy of Sciences nadat ze diverse berekeningen en simulaties uitvoerden. De resultaten kunnen onder meer helpen verklaren waarom de rotsachtige planeten in ons zonnestelsel in vergelijking met soortgelijke planeten rond zonachtige sterren een relatief lage massa hebben. “Ons onderzoek suggereert dat Jupiters reizen naar het hart van het zonnestelsel en vervolgens naar de randen van het zonnestelsel een eerste generatie planeten hebben vernietigd en ruimte hebben gemaakt voor de vorming van de rotsachtige planeten met een beperkte massa die ons zonnestelsel vandaag de dag telt,” legt onderzoeker Konstantin Batygin uit.

Vreemde eend in de bijt
Bovendien kan het onderzoek helpen verklaren waarom ons zonnestelsel in vergelijking met andere planetaire systemen toch een beetje een vreemde eend in de bijt is. De afgelopen jaren hebben wetenschappers tal van exoplaneten ontdekt en bestudeerd. Uit die onderzoeken blijkt dat ongeveer de helft van de zonachtige sterren in ons deel van het sterrenstelsel omgeven wordt door planeten. Maar die planetaire systemen lijken maar weinig op ons zonnestelsel. Zo is er dicht bij onze zon weinig te vinden: voorbij Mercurius treffen we enkel een beetje puin aan. In andere planetaire systemen is dat heel anders: doorgaans hebben die één of meer planeten die aanzienlijk massiever zijn dan de aarde en dichter bij de ster staan dan Mercurius bij de zon staat. Ook hebben die planetaire systemen juist weer weinig objecten op grote afstand staan, iets wat in ons zonnestelsel juist weer heel normaal is.

“Jupiter zou uiteindelijk in de zon zijn verdwenen als Saturnus er niet was geweest”

Later
Batygin en zijn collega Gregory Laughlin stellen dat ons zonnestelsel weliswaar heel anders is dan andere planetaire systemen, maar dat dat nog niet wil betekenen dat planeten in ons zonnestelsel in eerste instantie net zo ontstonden als planeten in andere planetaire systemen. Pas in een later stadium zou ons zonnestelsel zijn gaan ‘afwijken’ en die ‘afwijking’ werd veroorzaakt door Jupiter. Volgens de onderzoekers was het zonnestelsel nog maar enkele miljoenen jaren oud en bevonden de planeten zich nog in de gas- en stofschijf rond de jonge zon toen Jupiter zo massief werd dat deze in staat was om zich los te maken uit de stofschijf. En omdat de zon het gas uit de schijf naar zich toetrok, begon ook Jupiter naar de zon toe te reizen. “Jupiter zou die koers hebben aangehouden en uiteindelijk in de zon zijn terechtgekomen als Saturnus er niet was geweest,” stelt Batygin. Saturnus vormde zich na Jupiter, maar werd veel sneller richting de zon getrokken waardoor deze op een gegeven moment Jupiter tegenkwam. Zodra de planeten dicht genoeg bij elkaar in de buurt kwamen, ontstond een situatie die onderzoekers ‘baanresonantie’ noemen. De twee planeten kregen omlooptijden die zich bij benadering verhouden als eenvoudige hele getallen (bijvoorbeeld 2:1, oftewel Saturnus maakt twee rondjes om de zon, terwijl Jupiter in dezelfde tijd één rondje maakt). In die omstandigheden gingen de twee planeten met hun zwaartekracht invloed op elkaar uitoefenen en energie delen. Die wisselwerking zorgde ervoor dat het gas tussen de twee planeten werd weggeduwd en de planeten zich niet langer richting de zon begaven. De afstand tussen de planeten en de zon werd juist weer groter.

Op de afbeelding
Op de afbeelding bovenaan dit artikel zie je de situatie toen Jupiter richting de zon bewoog (Jupiters baan is wit). Jupiter pakte de bouwblokken van planeten (planetesimalen) mee en zorgde dat deze een excentrische baan kregen (in turquoise) die overlapte met de nog ongestoorde delen van de planetaire schijf (geel) waardoor heel veel botsingen ontstonden.

Planetesimalen
Maar hoe beïnvloedde dat de superaardes die in ons zonnestelsel zouden hebben bestaan? Toen Jupiter richting de zon bewoog, zou deze alle planetesimalen – de bouwblokken van planeten – die deze tegenkwam mee hebben gevoerd richting de zon. Toen deze planetesimalen dichter bij de zon in de buurt kwamen, werden hun banen sterk elliptisch, waardoor deze objecten zich gingen begeven door voorheen onaangeroerde delen van de stofschijf. Hierdoor ontstond de ene na de andere botsing tussen die planetesimalen en objecten in die stofschijf. Uit berekeningen blijkt dat elke planetesimaal in die periode gemiddeld elke 200 jaar in botsing kwam met een ander object. De planetesimalen braken daarbij uiteen en brokstukken verdwenen in de zon. De onderzoekers simuleerden wat er zou gebeuren als in diezelfde periode een aantal superaardes in het hart van ons zonnestelsel te vinden was. Ze lieten zich daartoe inspireren door Kepler-11, een zonachtige ster met zes superaardes (die samen een massa hebben die veertig keer groter is dan die van de aarde). Uit de simulaties blijkt dat de superaardes in een periode van 20.000 jaar compleet in de zon zouden verdwijnen door de botsende planetesimalen. “Het is een heel effectief proces,” stelt Batygin. “Je hebt slechts enkele aardmassa’s aan materiaal nodig om tientallen aardmassa’s aan planeten in de zon te dwingen.”

“Je hebt slechts enkele aardmassa’s aan materiaal nodig om tientallen aardmassa’s aan planeten in de zon te dwingen”

De aarde
Toen Jupiter weer bij de zon vandaan begon te bewegen, zou een deel van de planetesimalen die met Jupiter mee reisden weer een cirkelvormige baan hebben aangenomen. Vervolgens waren er miljoenen jaren nodig om die planetesimalen uit te laten groeien tot de rotsachtige planeten zoals we die vandaag de dag kennen. Dat komt netjes overeen met de theorie die stelt dat de aarde 100 tot 200 miljoen jaar na de geboorte van de zon ontstond. En aangezien de schijf met daarin waterstof en heliumgas tegen die tijd al lang verdwenen was, kan het onderzoek ook verklaren waarom de aarde geen waterstofatmosfeer heeft. “Wij ontstonden uit puin dat van deze stoffen ontdaan was.”

Op basis van dit onderzoek zou je dan ook kunnen concluderen dat de meeste exoplaneten – omdat het meestal superaardes zijn – een waterstofatmosfeer hebben, omdat ze ontstonden in een periode waarin dat gas nog veelvuldig rond hun ster te vinden was. “Wat dit uiteindelijk betekent, is dat planeten zoals de aarde niet vaak voorkomen.”