Hoe ontstaan nieuwe planeten en hun samenstelling?

Antwoord

Het antwoord is erg lang, en bestaat eigenlijk uit 'copy paste' van een tekst die ik hier eerder voor geschreven heb:

Sinds de hypothese het eerst werd geformuleerd door Kant en door Laplace heeft de idee ingang gevonden dan ons planetenstelsel is ontstaan uit een eerder vormeloze schijf van materie die de zon ooit heeft omgord.  De grote en meeste kleine planeten beschrijven banen die alle vrij dicht bij een schijf aanleunen.  De afwijkende banen van objecten zoals sommige kleine planeten en kometen kunnen verklaard worden door gravitationele storingen van grote planeten, inzonderheid Jupiter, die die banen ingrijpend hebben veranderd.  In een dergelijk schema groeien planeten uit de accumulatie van kleinere bestanddelen, zoals uitvoerig blijkt uit de talrijke impactkraters die weinig geërodeerde objecten kenmerken.

Over hoe die initiële schijf tot stand gekomen is, hebben de meningen in de loop van de geschiedenis verschild.  Een scenario, voorgesteld door Jeans, dat in het begin van de 20ste eeuw populair is geweest, stelde dat een schijf van gas uit de zon is losgemaakt door de getijdenwerking van een langskomende andere ster, en dus impliciet dat een planetenstelsel een vrij uniek fenomeen is.  Vandaag weet men echter dat een circumstellaire schijf een vrij algemeen bijproduct is van het proces van stervorming.

Stervorming in het interstellaire midden

De voornaamste kracht die structuurvorming bewerkstelligt in het heelal, is de gravitatiekracht.  Sterren ontstaan in interstellaire wolken door gravitationele instabiliteit: een fragment van de wolk begint onder de zelfgravitatie samen te trekken, en vermits de toename van de dichtheid de zelfgravitatie doet aangroeien, gaat het proces ongeremd verder tot de centrale temperatuur zo hoog is dat kernfusiereacties ontstoken worden.  Deze energiebron zorgt dan voor de stabiele opbouw van een uitwaartse druk die de samentrekking een halt toeroept: een ster is geboren.

De samentrekking van gaswolk tot ster is er één over meerdere grootteordes in afmetingen.  Inderdaad, in een beeld waarin sterren speldekoppen zijn op tientallen km van elkaar, moet het mm-grote object dat de zon nu is materie binnen een sfeer met een straal van 10 km in zich verenigd hebben.  Bij een dergelijke samentrekking over zeven ordes van grootte is het dan onvermijdelijk dat elke kleine rotatie van de initiële wolk zich ontwikkeld heeft tot een macroscopisch effect met aanzienlijke gevolgen.  Materie ver van de rotatie-as verkreeg daarbij dergelijke rotatiesnelheden, dat de rotationele versnelling van de as weg de gravitationele inval belemmerde.

Vrij elementaire fysische beginselen voorspellen bijgevolg dat een fractie van de wolk de ster nooit bereikt, maar uiteindelijk terecht komt in een circumstellaire schijf die omheen de nieuw gevormde ster blijft draaien.  Dit is inderdaad hetgeen ook experimenteel wordt vastgesteld: uit waarnemingen van jonge sterren in stervormingsgebieden blijkt telkens dat deze sterren omgeven zijn door schijven van gas en stof.

Circumstellaire schijven van gas en stof

Het interstellaire midden is ijl, te ijl om vloeistoffen te bevatten.  De beide andere klassieke aggregatietoestanden, de vaste fase en de gasfase, komen wel voor.  Niet verwonderlijk omwille van de lage dichtheid is de gasfase in massa dominant. Het blijkt echter dat een kleine massafractie, van de orde van 1%, van het interstellaire midden uit stofkorrels bestaat.  Deze zijn erin aangebracht door sterren, die in hun late evolutiefasen hun koele buitenlagen afstoten, en in die buitenlagen zijn dichtheid en temperatuur van die aard dat een rijke chemie er voor de vorming van moleculen en stofdeeltjes zorgt.

Ondanks de kleine massafractie is het interstellaire en circumstellaire stof duidelijk waarneembaar.  Het is zoals in onze aardse atmosfeer, waar een relatief kleine fractie aan stofdeeltjes het zonlicht sterk vertroebelt.  Stof absorbeert en verstrooit licht inderdaad veel efficiënter dan gas dat kan doen.  Op die manier manifesteert interstellair en circumstellair stof zich ook door de achtergrond te verduisteren.  Het geabsorbeerde licht verwarmt trouwens de stofdeeltjes, die dan op hun beurt merkbare bronnen van infrarode straling zijn.

Stof en gas onderscheiden zich ook sterk in hun chemische samenstelling.  Waterstof en helium zijn met 98% in massa de dominante bestanddelen in het interstellaire midden, maar niet zo in het stof.  Het inerte edelgas helium blijft afwezig van de chemische processen die het stof vormen, en slechts een kleine fractie van de waterstofatomen vindt een plaats in stofdeeltjes.  Het zijn de minder talrijke, maar chemisch veel actievere, zwaardere elementen zoals zuurstof, koolstof, silicium, magnesium en ijzer die dominant zijn in de stofchemie.

Van circumstellaire schijf tot planetenstelsel

Een mengsel van veel gas en weinig stof is ons niet vreemd, het is de toestand van de aardse atmosfeer.  Een waarneming die we allen al gedaan hebben, is dat stofdeeltjes de neiging vertonen samen te plakken, en zich bij voorbeeld in slierten langs de muur op te stapelen.  De lucht in onze kamer blijft daarentegen netjes homogeen verspreid.  In interstellaire wolken is de dichtheid te gering opdat stofdeeltjes elkaar zouden kunnen vinden en tot noemenswaardige afmetingen aangroeien.  In de circumstellaire schijven die bij het stervormingsproces ontstaan, is de dichtheid van het stof echter voldoende groot om in een geleidelijke groei van de korrelgrootte te resulteren.  Dit proces van aangroei van de stofkorrels in jonge circumstellaire schijven is observationeel geverifieerd: uit de infrarode spectra van die schijven kan men de typische grootte van de stofkorrels afschatten, en men stelt inderdaad vast dat deze beduidend groter worden dan in het interstellaire medium.

Vandaag is men er met numerieke codes in geslaagd het lange proces van de evolutie van een schijf van stof en gas tot een volwaardig planetenstelsel te reconstrueren.  In de vroegste fasen zijn het scheikundige (elektromagnetische) processen die kleinere deeltjes

geleidelijk doen aaneenklitten tot grotere: na enkele tienduizenden jaren hebben zich talloze 'biljartballen' gevormd, en na enkele honderdduizenden jaren planetesimalen met typische afmetingen van tientallen kilometer.  Dan neemt de gravitatiekracht de fakkel over, en vermits deze kracht intrinsiek zoveel zwakker is, duurt het nu enkele tientallen miljoenen jaren vooraleer lichamen met de dimensies van planeten zijn gevormd.  Het gas neemt niet rechtstreeks deel aan die structuurvorming, in de zin dat het niet blijft plakken aan de zich vormende planeten.  Het is dan meteen duidelijk waarom de rotsachtige planeten die zo ontstaan relatief weinig waterstof en helium bevatten. 

Het ontstaan van reuzenplaneten gebeurt in eerste instantie op dezelfde manier.  Het belangrijke bijkomende ingrediënt is hier dat het ver van de zon, waar de reuzenplaneten geboren worden, een stuk koeler is, zodat belangrijke moleculen zoals H₂O, CO en CO₂ niet in de gasfase maar wel in de vaste fase (ijs dus) voorkomen.  Voor de aardse planeten doen deze moleculen dus niet mee aan de korrelgroei, in de buitenbanen van het zonnestelsel des te meer, want ijs is notoir plakkerig.  Vermits er verder van de zon een beduidend grotere fractie van de schijf meedoet aan het proces, worden de planeten er ook groter, niet typisch één, maar eerder 5 tot 8 aardmassa’s groot.  Dat is dan meteen ook groot genoeg om een belangrijke gravitationele aantrekking uit te oefenen op het gas waarin het proces zich voltrekt.  Waar een massa zoals die van Mercurius te klein is om een atmosfeer vast te houden, en één zoals van Venus en de aarde net goed, slaagt een massa die vijf maal groter is er wel in om het omgevende gas ook aan te trekken en op te nemen.  Op die manier neemt de massa toe, groeit de aantrekkingskracht dus nog, en wordt het groeiproces bijna exponentieel versneld.  Zo ontstonden Jupiter en Saturnus, die uiteindelijk veel meer gas dan stof bevatten en een vrij typische kosmische samenstelling hebben, en ook Uranus en Neptunus, met een massa en een samenstelling ergens tussenin.

De gordels van kleine planeten zijn in dit scenario gebieden waar het proces nooit tot voleinding is gekomen.  Voor de asteroïdengordel is de stoorzender ongetwijfeld Jupiter geweest.  Deze reuzenplaneet is het snelst van allen ontstaan (min dan 10 miljoen jaar, tegenover 30 miljoen jaar voor de aarde), en heeft met zijn grote massa de banen van de planetesimalen in zijn omgeving dermate verstoord dat de onderlinge snelheden te groot werden om hun verdere samensmelting effectief te maken; het geweld van Jupiter heeft trouwens de meerderheid van de kleine planeten uit het planetenstelsel verjaagd.  Voor de Kuipergordel, waar de materiedichtheid zo al vrij gering was, is Neptunus stoorzender geweest.  In die zin kan men begrijpen waarom Pluto en zijn trawanten niet langer als ‘echte’ planeten worden beschouwd: ze zijn in een tussenstadium gebleven, hetgeen ze trouwens niet minder interessant maakt om te bestuderen.

In dit model van planeetvorming speelt het gas, dat nochtans de grootste massafractie van de schijf uitmaakt, al bij al een vrij passieve rol.  Het moet wachten tot reeds vrij grote planeten zijn gevormd om door die planeten gedeeltelijk opgenomen worden.  Voorts verdwijnt het geleidelijk, voornamelijk door de stralingsdruk van de zon, op een tijdschaal van een tiental miljoenen jaren, net lang genoeg dus om nog te kunnen meedoen aan de vorming van reuzenplaneten.  Sinds de ontdekking van andere planetenstelsels dan het onze is echter gebleken dat de grote massa die het gas  vertegenwoordigt, ook andere aanzienlijke gevolgen kan hebben, en de uiteindelijke banen van de planeten sterk kan beinvloeden..  Maar dat is een ander verhaal.