8 maart 2021

Heeft Jupiter de super-aardes in ons zonnestelsel vernietigd?

Artistieke weergave van een waterrijke superaarde. Credit: NASA Ames/JPL-Caltech.

Lang voordat Mercurius, Venus, de aarde en Mars zijn ontstaan zou het binnenste zonnestelsel een aantal super-aardes (planeten groter dan de aarde, maar kleiner dan Neptunus) bevat kunnen hebben. Deze zijn, als gevolg van Jupiter, opgebroken en in de zon terecht gekomen, aldus een recente studie gebaseerd op een baanbrekende computersimulatie.Dankzij de recente jacht op exoplaneten weten we dat vrijwel alle zon-achtige sterren in het bezit zijn van een planetenstelsel. Deze zonnestelsels lijken echter weinig op het onze. In ons zonnestelsel is de ruimte tussen Mercurius (de planeet het dichtste bij de zon staat) en de zon vrijwel leeg. Er draaien in dat gebied wel een aantal ruimterotsen om de zon, maar je kunt er zeker geen planeten vinden (ook al dachten ze vroeger van wel). Bij andere zonnestelsels is dat wel anders: daar bevinden zich binnen de omloopbaan van Mercurius vaak meerdere planeten, die niet zelden veel zwaarder zijn dan de aarde (super-aardes). Wat dat betreft lijkt het zonnestelsel een buitenbeentje te zijn.Aan de hand van een baanbrekende computersimulatie blijkt dat Jupiter een toonaangevende rol moet hebben gespeeld bij het boetseren van het zonnestelsel zoals wij dat kennen. Het computermodel maakt gebruik van een concept dat het Grand Tack Scenario genoemd wordt, vrij vertaald het “Grote Overstag Scenario”. Volgens dit model is Jupiter veel eerder gevormd dan de andere planeten, wellicht als gevolg van een instabiliteit in de wervelende schijf van gas en stof rondom de pasgeboren zon.

A depiction of a time early in the solar system’s history when Jupiter made a grand inward migration. As it moved inward, Jupiter (white) picked up primitive planetary building blocks, or planetesimals, and drove them into eccentric orbits (turquoise) that overlapped the unperturbed part of the planetary disk (yellow), setting off a cascade of collisions that would have ushered any interior planets into the sun. Credit: Batygin & Laughlin, 2015/PNAS

Toen Jupiter het levenslicht zag, was de omringende planeetvormende schijf dusdanig massief, dat het Jupiter naar binnen duwde, richting de zon. Vervolgens heeft Jupiter een gapend gat in de schijf gekerfd, waardoor de migratie richting de zon nog eens versneld werd. Jupiter was dus op weg om een Hete Jupiter te worden (gasreuzen ter grootte van Jupiter in een zeer korte omloopbaan), alsof het door een gigantische lopende band werd voortbewogen.Ondertussen ontstonden een stukje verder van de zon nog een aantal planeten, die aanvankelijke weinig meer waren dan gigantische bollen van ijs en steen, met een massa van enkele aardes. Deze zijn toen het gas uit de omringende schijf dat niét gebruik werd voor de vorming van Jupiter gaan opvegen als een stofzuiger. Saturnus bevond zich op de juiste locatie om enorm te groeien, om vervolgens Jupiter achterna te gaan in zijn pelgrimstocht richting de zon. Saturnus viel echter sneller richting de zon dan Jupiter, waardoor de twee planeten weldra hun onderlinge zwaartekracht konden voelen. Als gevolg hiervan werden hun baaneigenschappen met elkaar uitgelijnd. Met andere woorden: voor iedere omloopbaan van Jupiter voltooide Saturnus er precies twee. Dit wordt een 1:2 resonantie genoemd en dit veroorzaakte een chaos op ongekende schaal in het zonnestelsel.

Schema van wat er gebeurt met de planetesimalen (grote en kleinere brokken steen) als Jupiter naar binnen migreert, en later weer naar buiten.

Schema van wat er gebeurt met de planetesimalen (grote en kleinere brokken steen) als Jupiter naar binnen migreert, en later weer naar buiten.

Jupiter en Saturnus zijn een tijd lang heen en weer gaan bewegen, richting de zon en weer verder er vandaan, waarbij de gemiddelde afstand tot de zon steeds groter werd. Jupiter en Saturnus waren dus weer “on the move”, maar dit keer weer van de zon vandaan. Als gevolg van deze zwaartekrachtdans zijn de planeten die achter Saturnus ontstaan zijn (Uranus en Neptunus) naar buiten geslingerd, waarbij ze uiteindelijk de Kuipergordel (die toen dichterij de zon stond) overhoop gehaald hebben. Dit soort zaken waren al langer bekend volgens het zogenaamde Nice-scenario, maar het nieuwe model levert nieuwe inzichten in de gevolgen op het binnen-zonnestelsel. Kijk, tijdens de dans der gasreuzen zijn in het binnen-zonnestelsel een aantal planeten ontstaan op een afstand van 0,2 tot 0,7 AU van de zon (de afstand waarop super-aardes algemeen zijn bij exoplanetenstelsels, waarbij 1 AU gelijkstaat aan de afstand tussen de aarde en de zon). Tussen de super-aardes en Jupiter zou dan een relatief dunne planeetvormende schijf overblijven, zo tussen de 0,7 en 1,5 AU. De buitengrens wordt dan gevormd door de zwaartekracht van Jupiter, die op dat moment een flinke reis achter de rug gehad heeft: vanaf zijn geboortelocatie op 5 AU vanaf de zon richting z’n kortste nadering op 1,5 AU (waarna Saturnus ‘m weer naar achteren trok, terug richting z’n ontstaanslocatie). Hierbij zal Jupiter een groot deel van het plaatselijk aanwezige materiaal naar binnen geslingerd hebben.

Plot van alle exoplaneten die binnen de omloopbaan van Mercurius staan. Credit: K.Batygin/Caltech

De binnengrens van de overgebleven schijf wordt gevormd door de zwaartekracht van de super-aardes, die al snel een bombardement van epische proporties te verwerken kregen als gevolg van de zwaartekrachtinvloed van Jupiter op de planeetvormende schijf. Dit bomardement zal bestaan hebben uit enkele honderden protoplaneten van 100 tot 1000 kilometer groot. Deze knallen voortdurend op elkaar, waardoor de restanten met een steeds hogere snelheid richting de zon zullen vallen.Uit het model blijkt dat vervolgens de aanwezige super-aardes als gevolg van botsingen en interacties met de talloze protoplaneten naar binnen bewegen, richting de zon. Toen de zwaartekrachtdans der gasreuzen tot een einde kwam waren de super-aardes al niet meer te redden. Alles wat er overbleef was een relatief dunne overblijvende schijf, tussen 0,7 en 1,5 AU van de zon, waaruit vervolgens (in een tweede ronde van planeetvorming) de binnenplaneten zoals wij die kennen zijn gevormd: Mercurius, Venus de aarde en Mars. Deze zijn vervolgens door interacties met laatste restjes van de planeetvormende schijf op hun huidige locatie terecht gekomen. Niet lang erna hadden Neptunus en Uranus ook hun huidige locatie genaderd, waarna de binnen-planeten (die al ellende genoeg achter hun rug hadden) nog eens getrakteerd werden op een tweede bombardement, waarbij de meeste kraters op de maan ontstaan zijn (het Late Zware Bombardement) en waarbij vermoedelijk Mercurius een flink deel van z’n massa is kwijtgeraakt. Nou, een briljant model dat verschillende hardnekkige problemen in onze kennis van het ontstaan van het zonnestelsel lijkt op te lossen. Maar het is voorlopig niet meer dan een computersimulatie, het wordt dus wachten op aanvullend bewijs.Het volledige onderzoek kan hier teruggelezen worden. Bronnen: Caltech en io9

Comments

  1. De basis van hun conclusie is echter lariekoek. Dat we hoofdzakelijk hot Jupiters and SuperEarths vinden komt door de beschikbare detectie methoden. Kleinere planeten zijn gewoonweg heel moeilijk te vinden. Kleine planeten laten de ster amper wiebelen, en met de transit methode pak je net 10% o.i.d. van de sterren (alleen als we tegen het vlak van zo’n stelsel aankijken, edge-on). Direct imaging heeft tot nu toe een paar gelukstreffers op kunnen leveren.

    Dus krijg je vanzelf een plaatje dat scheef is getrokken en het zegt niets over een “gemiddelde” of “normale” samenstelling van planeten om een ster. Daarbij is het huidige Nice-model en de Grand Tack al een behoorlijk goede beschrijving van het ontstaan van ons zonnestelsel.

  2. Wat bijzonder is ons Zonnestelsel toch….

    Niet omdat in dit planeetstelsel, naar ons beste weten, de enige planeet is, waarop zich leven heeft ontwikkeld. Niet de Aarde maakt dit stelsel de moeite waard/bijzonder, maar Jupiter !
    Want dankzij Jupiter zijn al die Super-Aardes (een stuk of 6 of 7 , Olaf ? ) VERMOORD !

    Jupiter, de Killer-Planet onder zijn ‘gelijken’. 🙂 😛


    Persoonlijk denk ik dat Karel in zijn reactie hierboven gelijk heeft :
    “Onze indruk van hoe planetenstelsels ‘er uit horen te zien’, is te sterk gekleurd door onze detectiemethode.”

    Groet, Paul

  3. Ik kan er iets meer over vertellen. De transit methode….om een Aard-achtige planeet (afmeting en afstand tot ster) te detecteren bij een Zon-achtige ster, is de kans 0,05%. Je hebt dus gemiddeld 2000 observaties nodig om er een te vinden. De andere 1999 liggen qua orientatie onder een verkeerde hoek om ze te kunnen zien. Als de planeet een sterk eliptische baan heeft, zoals Pluto b.v., dan is de trefkans groter, 0,35%

    Doppler werkt wel bij kleinere planeten zoals de Aarde. Maar de “wobble” is minimaal. Dat zou nog geen probleem zijn, als er verder geen grote gasreuzen in dat stelsel aanwezig zijn. Die zijn er vaak wel en dan is een wobble van een klein planeetje heel moeilijk om eruit te peuteren.

    Direct imaging behoeft denk ik geen toelichting 🙂

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: