De vier binnenplaneten, Mercurius, Venus, Aarde en Mars.
© NASA/Lunar and Planetary Institute
Afgelopen feestdagen zag ik enkele nieuwsberichten binnendruppelen die één ding gemeen hadden: ze gingen over de vorming van de binnenplaneten van ons zonnestelsel, de kleine rotsachtige planeten Mercurius tot en met Mars. Beide berichten zijn gestoeld op wetenschappelijk onderzoek, waarvan de resultaten onlangs zijn gepubliceerd:
- Ten eerste is daar het onderzoek dat geleid werd door de Universiteit van Münster en waarvan het vakartikel verscheen in Science Advances. Christoph Burkhardt en zijn team hebben de isotopische samenstelling bestudeerd van meteorieten en die vergeleken met die van de binnenplaneten, met name Mars en Aarde. Wat blijkt: de theorie die stelt dat de vier rotsachtige planeten tot hun huidige grootte zijn gegroeid door millimetergrote stofkiezelstenen (Engels: pebbles) uit het buitenste zonnestelsel te verzamelen, is niet langer houdbaar. Voor de vorming van de binnenplaneten zijn twee theorieën, welke je in de afbeelding hieronder weergegeven ziet.
© Christoph Burkhardt, Fridolin Spitzer, Alessandro Morbidelli, Gerrit Budde, Jan. H. Render, Thomas S. Kruijer, Thorsten Kleine
In de afbeelding zie je boven de oudere theorie, volgens welke het stof 4,6 miljard jaar geleden samenklonterde tot steeds grotere brokstukken, die geleidelijk ongeveer de grootte van onze maan bereikten. Mercurius, Venus, Aarde en Mars zouden vervolgens zijn ontstaan uit botsingen tussen deze ‘planetesimalen’. Een recentere theorie, weergegeven in het onderste deel, zegt dat millimeters grote stofklontjes migreerden vanuit het buitenste deel van het zonnestelsel richting zon en dat die zich vervolgens onderweg op de daar gevormde planetesimalen verzamelden, die daardoor hun huidige omvang bereikten. Deze ‘pebbles accretion‘ theorie blijkt nu niet te kloppen en dat hebben Burkhardt en z’n team ontdekt door naar de isotopen van de zeldzame metalen titanium, zirconium en molybdenum te kijken in twee soorten meteorieten, koolstofhoudende chondrieten uit het buitenste deel van het zonnestelsel en koolstofarme chondrieten uit het centrale deel van het zonnestelsel – 17 van de onderzochte meteorieten zijn afkomstig van Mars. Uit het onderzoek komt naar voren dat de samenstelling van de korst van Aarde en Mars maar voor 4% overeenkomt met die van de koolstofhoudende chondrieten. Zou de ‘pebbles accretion’ theorie kloppen dan zou dat percentage tien keer zo hoog moeten zijn. Men denkt daarom dat Jupiter die toestroom van materiaal uit het buitenste deel van het zonnestelsel blokkeerde en dat de binnenplaneten meer uit materiaal van het binnenste deel zijn gevormd, volgens de zogeheten ‘Wetherill type accretion’. Bron: Universiteit van Münster + Astrobites.
- Nieuwsbericht twee over de vorming van de binnenplaneten in het zonnestelsel betreft onderzoek van o.a. Rice University en geleid door Andre Izidoro, dat zich richtte op de ringen en gaten in protoplanetaire schijven van gas en stof – hier hun vakartikel, verschenen in Nature Astronomy. Dat die schijven ringen en gaten bevatten werd voor het eerst duidelijk in 2014 toen met de ALMA telescoop in Chili de protoplanetaire schijf rondom de ster HL Tauri werd gefotografeerd (zie foto hieronder).
ALMA-waarneming van de stofschijf rond HL Tauri. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Eerder was al bekend dat die ringen en gaten het gevolg zijn van zogeheten “drukstoten” (Engels: pressure bumps), waar de lokale druk iets lager is dan in de omliggende regio’s. Die drukstoten treden op bij overgangen in de schijf, bijvoorbeeld wanneer de temperatuur onder de 1400 K komt en silicaten direct kunnen sublimeren, d.w.z. van een gas over kunnen gaan in een vaste toestand. Een andere drukstoot is er bij 170 K (-100 °C), da’s de ‘sneeuwlijn’ waaronder water overgaat in ijs. En bij 30 K (-240 °C) is er de CO-sneeuwlijn, waaronder koolmonoxide overgaat van een gas in ijs. Wat Izidoro en z’n team deden was kijken of die drukstoten ook in ons zonnestelsel kunnen hebben geleid tot ringen en gaten in de protoplanetaire schijf en of zo de binnenplaneten tussen die ringen en gaten ontstaan zijn. Wat ze deden was allerlei simulaties uitvoeren van de drie genoemde drukstoten in een protoplanetaire schijf vol stof en gas en dan te kijken of daarin planesimalen wilden groeien, de kleine planetaire voorlopers. Uit de simulaties kwam naar voren dat op de plek van de drukstoten inderdaad ‘kosmische verkeersopstoppingen’ ontstonden en dat zich daar de planetesimalen vormden. Bij de drukstoot binnen de sneeuwlijn zouden de vier rotsachtige planeten zijn ontstaan. Dat zou al heel vroeg in het zonnestelsel zijn gebeurd, al na een paar honderdduizend jaar. Zou dat langer hebben geduurd dan zouden geen rotsachtige planeten zijn gevormd, maar super-aardes of mini-Neptunussen, zoals in veel andere planetenstelsels is waargenomen. Dit laat zien dat ons zonnestelsel wat dat betreft een uitzondering vormt. Bron: Phys.org.
