Hoe is het zonnestelsel ontstaan?

Het ontstaan van het zonnestelsel begon ongeveer 4,5 miljard jaar geleden. Wetenschappers hebben drie modellen ontwikkeld van hoe dit er mogelijk uit heeft gezien.

De vorming van ons zonnestelsel begon ongeveer 4,5 miljard jaar geleden toen de zwaartekracht een wolk van stof en gas samentrok om ons zonnestelsel te vormen.

Wetenschappers kunnen dit rechtstreeks bestuderen hoe ons eigen zonnestelsel is ontstaan maar het combineren van waarnemingen van jonge stellaire systemen in een reeks van golflengtes met behulp van computersimulaties heeft geleid tot modellen van wat zoveel jaar geleden plaatsgevonden zou kunnen hebben.

Hoe ontstond de Zon?

Ons zonnestelsel is verankerd door de Zon.

Voordat het zonnestelsel bestond maakte een enorme concentratie van interstellair gas en stof een moleculaire wolk die de geboorteplaats van de Zon zou vormen. Koude temperaturen zorgden ervoor dat het gas samenklonterde en steeds dichter werd. De dichtste delen van de wolk begonnen onder hun eigen zwaartekracht in te storten, misschien kregen ze een duwtje van een nabije sterexplosie, en vormden een schat aan jonge stellaire objecten die bekend staan als protosterren.

De zwaartekracht zorgde ervoor dat het materiaal ineen bleef storten waardoor er een ster en een schijf van materiaal ontstond waaruit de planeten zouden ontstaan. Uiteindelijk omvatte de pasgeboren Zon meer dan 99% van de massa van het zonnestelsel. Toen de druk in de ster zo sterk werd dat er fusie op gang kwam en waterstof in helium veranderde, begon de ster een stellaire wind te blazen die hielp om het puin op te ruimen en die voorkwam dat materiaal naar binnen toe viel.

Hoewel gas en stof er voor zorgen dat jonge sterren op zichtbare golflengtes niet zijn te zien hebben infraroodtelescopen veel wolken in het sterrenstelsel onderzocht om de omgeving van andere pasgeboren sterren te bestuderen. Wetenschappers hebben wat ze in andere systemen hebben gezien toegepast op onze eigen ster.

Hoe zijn de planeten ontstaan?

De planeten, manen, asteroïden en al het andere in het zonnestelsel zijn ontstaan uit de kleine fractie materiaal in de regio die niet in de jonge Zon was opgenomen. Dit materiaal vormde een enorme schijf rond de babyster. De schijf omringde de jonge ster ongeveer 100 miljoen jaar, in astronomische termen slechts een oogwenk.

Gedurende die tijd vormde zich planeten en manen uit de schijf. Onder de planeten is Jupiter waarschijnlijk het eerst ontstaan, misschien al na een miljoen jaar na het ontstaan van de Zon.

Wetenschappers hebben drie verschillende modellen ontwikkeld om uit te leggen hoe planeten binnen en buiten het zonnestelsel kunnen zijn ontstaan. Het eerste en meest geaccepteerde model, kernaanwas genoemd, werkt goed bij het ontstaan van de rotsachtige aardse planeten maar heeft problemen met de reuzenplaneten. Het tweede model, de aanwas van kiezelstenen, zou ervoor kunnen zorgen dat planeten snel ontstaan uit de kleinste materialen. Het derde model. De schijfinstabiliteitsmethode, kan verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van de reuzenplaneten.

Het kernaanwasmodel

Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden was het zonnestelsel een wolk van stof en gas die bekend staat als een zonnenevel. De zwaartekracht deed het materiaal in elkaar zakken toen het begon te draaien en hierdoor ontstond in het midden van de nevel de Zon.

Met de opkomst van de Zon begon het resterende materiaal samen te klonteren. Kleine deeltjes trokken samen, gebonden door de zwaartekracht, tot grotere deeltjes, volgens het kernaanwasmodel. De zonnewind veegde lichtere elementen, zoals waterstof en helium, weg uit de dichterbij gelegen gebieden, waardoor alleen zware, rotsachtige materialen overbleven om aardse planeten te maken. Maar verder weg hadden de zonnewinden minder impact op lichtere elementen, waardoor ze konden samensmelten tot gasreuzen. Op deze manier zijn asteroïden, kometen, planeten en manen ontstaan.

Sommige waarnemingen van exoplaneten lijken te bevestigen dat kernaanwas het dominante proces was. Sterren met meer “metalen”, een term die astronomen gebruiken voor andere elementen dan waterstof en helium, in hun kernen hebben meer reuzenplaneten dan hun metaalarme neven. Volgens NASA suggereert kernaanwas dat kleine, rotsachtige werelden vaker zouden moeten voorkomen dat de grote gasreuzen.

De ontdekking in 2005 van een gigantische planeet met een massieve kern die rond de zonachtige ster HD 149026 draait is een voorbeeld van een exoplaneet die de argumenten voor kernaccretie heeft versterkt. De kern van de planeet is ongeveer 70 keer zwaarder dan de Aarde. Astronomen denken dat die kern te groot is om uit een instortende gaswolk te zijn ontstaan.

Kiezelsteenaccretie

De grootste uitdaging voor kernaanwas is de tijd, het bouwen van enorme gasreuzen die snel genoeg zijn om de lichtere componenten van hun atmosfeer te grijpen. Onderzoek dat in 2015 werd gepubliceerd onderzocht hoe kleinere objecten ter grootte van een kiezelsteen samensmolten om gigantische planeten te bouwen met een factor 1000 keer sneller dan eerdere studies.

Volgens astronomen is dit het eerste model waarvan men weet dat je begint met een vrij eenvoudige structuur voor de zonnenevel waaruit planeten worden gemaakt en eindigt met het reuzenplaneetsysteem dat astronomen hebben gevonden.

In 2012 stelde een andere onderzoeksgroep voor dat klein puin de sleutel was tot het snel bouwen van gigantische planeten. Ze toonden aan dat de overgebleven kiezelstenen van dit ontstaansproces die eerder als onbelangrijk werden beschouwd in feite een enorme oplossing zouden kunnen zijn voor het probleem van planeetvorming.

In simulaties die de onderzoekers ontwikkelden gedroegen grotere objecten zich als de pestkoppen en grepen kiezelstenen weg van de middelgrote massa om zo veel sneller te groeien. De grote man pest eigenlijk de kleinere, zodat ze alle kiezelstenen zelf kunnen eten en ze kunnen blijven opgroeien om de kernen van de gigantische planeten te vormen.

Het schijfinstabiliteitsmodel

Andere modellen hebben moeite om het ontstaan van de gasreuzen te verklaren. Volgens kernaanwasmodellen zou het proces enkele miljoenen jaren duren, langer dan de lichte gassen beschikbaar waren in het vroege zonnestelsel.

Reuzenplaneten ontstaan heel snel, binnen een paar miljoen jaar. Dat geeft een tijdslimiet omdat de gasschijf rond de Zon maar 4 tot 5 miljoen jaar meegaat.

Een relatief nieuwe theorie genaamd ”schijfinstabiliteit” pakte deze uitdaging aan. In het schijfinstabiliteitsmodel van planeetvorming worden klonten gas en stof vroeg in het leven van het zonnestelsel aan elkaar gebonden. Na verloop van tijd verdichten deze klonten zich langzaam tot een gigantische planeet.

Planeten kunnen op deze manier in slechts 1000 jaar ontstaan waardoor ze de snel verdwijnende lichtere gassen kunnen vangen. Ze bereiken ook snel een baanstabiliserende massa die hen weerhoudt van een dodelijke mars naar de Zon.

Terwijl wetenschappers planeten in ons zonnestelsel blijven bestuderen, evenals bij andere sterren, zullen ze beter leren begrijpen hoe de gasreuzen zijn ontstaan.

Planeten in beweging

Oorspronkelijk dachten astronomen dat planeten op hun huidige locatie in het zonnestelsel ontstonden. Maar de ontdekking van exoplaneten schudde de boel wakker en onthulde dat tenminste enkele van de meest massieve exoplaneten door hun buurten konden migreren.

In 2005 schetste een drietal artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Nature een idee dat de onderzoekers het Nice-model noemden, naar de stad in Frankrijk waar ze het voor het eerst bespraken. Dit model stelde voor dat de reuzenplaneten in de begintijd van het zonnestelsel in bijna cirkelvormige banen=waren gebonden die veel compacter waren dan ze nu zijn. Ze werden omringd door een grote schijf van rotsen en ijs. Deze schijf strekte zich tot ongeveer 34 Astronomische Eenheden uit, net voorbij de huidige baan van Neptunus.

Terwijl de planeten in wisselwerking stonden met kleinere objecten verspreidden ze de meest van deze objecten richting de Zon. Het proces zorgde ervoor dat de massieve planeten energie ruilden met de kleinere objecten, waaronder Saturnus, Neptunus en Uranus verder het zonnestelsel in werden geduwd. Uiteindelijk bereikten de kleine objecten Jupiter waardoor ze naar de rand van het zonnestelsel vlogen of er zelfs helemaal uitgeknikkerd werden.

Beweging tussen Jupiter en Saturnus dreef Uranus en Neptunus in nog meer excentrische banen waardoor het paar door de resterende ijsschijf werd gestuurd. Een deel van het materiaal werd naar binnen geslingerd waardoor het tijdens het Late Zware Bombardement op de aardse planeten neerstortte. Ander materiaal werd naar buiten geslingerd waardoor de Kuipergordel ontstond.

Terwijl ze langzaam naar buiten toe bewogen wisselden Neptunus en Uranus van plaats. Uiteindelijk zorgden interacties met het resterende puin ervoor dat het paar, toen ze hun huidige afstand tot de Zon bereikten, zich in meer cirkelvormige banen vestigde.

Onderweg heeft ons zonnestelsel misschien leden verloren: het is mogelijk dat een of zelfs twee andere gigantische planeten door al deze bewegingen uit het zonnestelsel zijn geschopt.

In de begintijd was het zonnestelsel heel anders dan nu, met veel meer planeten, misschien zo massief als Neptunus, die ontstonden en die naar verschillende plaatsen in het zonnestelsel werden verspreid.

Waar is het water?

Zelfs nadat de planeten waren ontstaan was het zonnestelsel zelf nog niet helemaal herkenbaar. De Aarde onderscheidt zich van de andere planeten vanwege het hoge watergehalte, waarvan veel wetenschappers vermoeden dat het heeft bijgedragen aan de evolutie van leven.

Maar de huidige locatie van de planeet was te warm om water te verzamelen in het vroege zonnestelsel, wat suggereert dat de leven-gevende vloeistof mogelijk is afgeleverd nadat de Aarde is ontstaan.

Slechts één hapering: wetenschappers weten nog steeds niet waar dat water vandaan zou kunnen komen. Oorspronkelijk vermoedden wetenschappers dat het door kometen naar de Aarde werd gebracht maar verschillende missies, waaronder zes die in de jaren tachtig langs de komeet van Halley vlogen en de recentere Rosetta ruimtesonde van de ESA, onthulden dat de samenstelling van het ijzige materiaal uit de buitenwijken van het zonnestelsel niet helemaal overeenkomt met dat van de Aarde.

De asteroïdengordel is een andere potentiële bron van water. Verschillende meteorieten hebben bewijs van verandering aangetoond, veranderingen die vroeg in hun leven zijn gebeurd en die erop wijzen dat water in een of andere vorm reageerde met hun oppervlak. Inslagen van meteorieten kunnen een andere bron van water voor de planeet zijn.

Onlangs hebben wetenschappers zelfs het idee ter discussie gesteld dat de vroege Aarde te heet was om water te verzamelen. Ze beweren dat, als de planeet snel genoeg zou ontstaan, de planeet het nodige water had kunnen verzamelen uit ijskorrels voor ze verdampten

Welk proces ook water naar de Aarde heeft gebracht deed dit ook naar Venus en Mars. Maar stijgende temperaturen op Venus en een dunner wordende atmosfeer op Mars weerhielden deze werelden ervan hun water vast te houden, wat resulteerde in de droge planeten die we vandaag kennen.

Eerste publicatie: 4 februari 2022
Bron: space.com & anderen