25 juli 2024

Waarom is Jupiter eigenlijk koud en niet heet? Het Grand Tack model verklaart het

Credit: NASA/ESA

Er zijn op dit moment 1919 bekende exoplaneten, ontdekt en door een onafhankelijk ander instrument bevestigd. Dat waren er in november vorig jaar iets minder – 1826 om precies te zijn – en in onderstaand overzicht zie je die 1826 exoplaneten keurig netjes ingedeeld in categorieën, van links naar rechts van de Mercurius-achtige en de aardachtige rotsplaneten tot de Jupiter-achtige gasplaneten, van boven naar beneden van de hete, via de warme en leefbare naar de koude planeten.

Een overzicht van de in november ontdekte en bevestigde exoplaneten (Credit: PHL @ UPR Arecibo).

Een overzicht van de in november ontdekte en bevestigde exoplaneten (Credit: PHL @ UPR Arecibo).

Wat opvalt is dat als je naar de zware gasachtige planeten kijkt, die minstens 50 keer de massa van de aarde bezitten, er veel meer ‘hete Jupiters‘ zijn dan ‘koude Jupiters’, 498 hete Jupiters (27,3% van alle planeten) om 190 koude Jupiters (10,4%). Die massieve gasachtige exoplaneten worden ‘heet’ genoemd omdat ze zich dichtbij hun moederster bevinden, waardoor ze kolkend heet zijn, net zoals in ons eigen zonnestelsel Mercurius en Venus – de afbeelding helemaal bovenaan geeft een goede impressie van zo’n hete Jupiter.

Een computersimulatie van een proto-planetaire schijf (Credit: W. Kley, R.P. Nelson)

Ook uit de simulaties die op grote computers gedaan worden van het ontstaan van planetenstelsels uit stof- en gaswolken rondom jonge sterren blijkt dat in de meeste gevallen hete Jupiters dichtbij hun moederster zullen ontstaan. Hierboven zie je twee afbeeldingen uit zo’n simulatie, links van een lichte planeet (<10 aardmassa), rechts van een zware planeet (>10 aardmassa). Uit de simulaties komt naar voren dat de lichte planeten door de interactie met de stofschijf een spiraalvormige dichtheidsgolf genereren, één naar binnen gerichte golf die voor de planeet uit stroomt en ”een naar buiten gerichte golf, die achter de planeet aan sjokt. Omdat het slepen van de buitenste dichtheidsgolf sterker is dan van de binnenste golf zal zo’n lichte planeet vrij snel naar binnen migreren, richting de centrale moederster – de zogeheten type I migratie. Bij de zware planeten is meer aan de hand: uit de simulaties komt naar voren dat deze naast de spiraalvormige dichtheidsgolven nog iets doen: ze vegen hun baan schoon, op de rechter afbeelding goed te zien. Gevolg hiervan is dat de planeet ook naar binnen migreert, maar minder snel dan de lichte planeten dat doen – de zogeheten type II migratie. Netto effect van beide types migratie van pas gevormde planeten: ze bewegen naar binnen, naar de ster toe. De grote vraag is nu waarom we in ons zonnestelsel geen hete Jupiters zien, maar dat zowel Jupiter als z’n kleinere zusje Saturnus zich in de koude zone bevinden. Zijn ze daar ontstaan en is ons zonnestelsel een uitzondering op de meeste planetenstelsels? Het antwoord is vermoedelijk nee: Jupiter is dáár in die koude zone niet ontstaan, hij is véél dichter bij de zon ontstaan. Dát is het model van de Grand Tack Hypothese – door collega-Astroblogger Olaf vrij vertaald het “Grote Overstag Scenario  genoemd.

Credit: Back Alley Astronomy

In 2014 werd dit model gepresenteerd op de 45e Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), onder andere door de befaamde planeetdeskundige Alessandro Morbidelli, die eerder al het Nice model van het zonnestelsel heeft ontwikkeld. Je ziet het Grand Tack model hierboven en uitgangspunt daarin is dat in de allervroegste fase van de vorming van het zonnestelsel Jupiter ontstond op de plek waar nu Mars zich bevindt. Door de type II migratie schoof de jonge en toen nog hete Jupiter op richting de pas gevormde zon en kwam ‘ie op een gegeven moment, zo’n 70.000 jaar slechts na z’n ontstaan, zelfs in de buurt van waar zich nu Venus bevindt. Maar toen gebeurde het: er was ook nog het lichtere zusje van Jupiter, Saturnus. Ook die schoof naar binnen en pakweg 100.000 jaar na de vorming van beiden kwamen ze in een zogeheten 3:2 gravitationele resonantie terecht, dat wil zeggen dat voor iedere drie omlopen die Jupiter om de zon maakte Saturnus er precies twee maakte. Het gevolg hiervan was dat beide gasreuzen naar buiten migreerden en dat Jupiter na een half miljoen jaar ongeveer op de plek terecht kwam waar ‘ie nu nog staat.

Credit: Wikimedia

Saturnus migreerde nog wat verder en na 600.000 jaar ondergingen Jupiter en Saturnus een 2:1 resonantie en Uranus en Neptunus een 3:2 resonantie, waarbij de laatste twee naar buiten migreerden én van plek verwisselden – conform het eerder genoemde Nice model (zie afbeelding hierboven).  Er werd wat afgeresoneerd in het vroege zonnestelsel. 🙂 Bron: Koberlein + Koberlein.

Share

Comments

  1. Nico W zegt

    Hoe zit het met de wet van behoud van energie?

  2. Ja, de wet van behoud van impulsmoment geldt. Maar dat wordt gehandhaafd, doordat continue impulsmoment wordt uitgewisseld tussen de gasreuzen, de rotsachtige planeten, de kleinere planetesimalen en het resterende gas en stof in de stofschijf. Dat leidde bijvoorbeeld tot het sneuvelen van super-aardes, zoals Olaf in een eerdere blog al liet zien.

  3. Enceladus zegt

    Je schrijft “Saturnus migreerde nog wat verder en na 600.000 jaar ondergingen Jupiter en Saturnus een 2:1 resonantie en Uranus en Neptunus een 3:2 resonantie, waarbij de laatste twee naar buiten migreerden én van plek verwisselden – conform het eerder genoemde Nice model (zie afbeelding hierboven).”

    Maar ik zie in de tekening toch steeds Neptunus als buitenste planeet. Dat klopt dan toch niet?
    Ook valt het mij op dat Uranus en Neptunus vanaf Year 100.000 groter worden afgebeeld.
    Wordt hiermee gesuggereerd dat die twee planeten de eerste 100.000 jaar van hun bestaan nog gegroeid zijn?

    groet,
    Gert (Enceladus)

Speak Your Mind

*