Je leest:

Chaos regeert het nieuwe zonnestelsel

Chaos regeert het nieuwe zonnestelsel

Auteur: | 1 april 2006

Het zonnestelsel is niet meer wat het geweest is. Ooit werden de trage, statige bewegingen van de planeten beschouwd als een toonbeeld van orde en bestendigheid. Slechts gehoorzamend aan de onwrikbare wetten van de zwaartekracht leek het planetenstelsel dezelfde onverstoorbare aanblik te bieden als miljarden jaren geleden of miljarden jaren in de toekomst. De rust en regelmaat van de kosmos vormde een schril contrast met de hectiek van het dagelijks leven, en wie behoefte had aan wat relativering hoefde ’s nachts maar de blik op het firmament te richten.

Maar die tijden zijn voorbij. De afgelopen veertig jaar zijn alle planeten in het zonnestelsel (behalve Pluto) van nabij onderzocht. Ruimtesondes hebben jarenlang baantjes gedraaid rond Venus, Mars, Jupiter en Saturnus. Er zijn zachte landingen uitgevoerd op de maan, op de twee buurplaneten van de aarde, en op de Saturnusmaan Titan. Kometen en planetoïden zijn van nabij betast en besnuffeld, en het in situ ruimteonderzoek is aangevuld met waarnemingen door de Hubble Space Telescope en geavanceerde computersimulates. En uit al dat moderne planeetonderzoek is een verrassend nieuw beeld naar voren gekomen van een zonnestelsel waar chaos en catastrofe de boventoon voeren.

Ondertussen blijven de hoogtepunten in het planeetonderzoek elkaar in hoog tempo opvolgen. NASA nam vorige zomer een komeet onder vuur en bracht in januari ruimtestof terug op aarde. ESA maakte ruim een jaar geleden een zachte landing op Titan. Karretjes rijden al meer dan twee jaar rond op Mars – de intrigerende rode planeet, die bovendien omcirkeld wordt door een handvol kunstmanen. Vrijwel dagelijks komen er nieuwe foto’s binnen van de geringde planeet Saturnus, en begin dit jaar vertrok er zelfs een ruimtesonde voor een negenenhalf jaar durende reis naar Pluto. Al die recente resultaten en projecten leveren nieuwe puzzelstukjes op die uiteindelijk leiden tot een compleet beeld van de roerige evolutie van het zonnestelsel.

De ringen van Saturnus: een tijdelijke tooi.

Binnenstebuiten

Neem Venus – het reisdoel van de Europese ruimtesonde Venus Express, die op 9 november 2005 werd gelanceerd en op 11 april in een omloopbaan rond de gesluierde zusterplaneet van de aarde gebracht moet worden. NASA’s radaverkenner Magellan ontdekte begin jaren negentig al dat er gigantische schildvulkanen schuilgaan onder het permanent gesloten wolkendek van de planeet. Een van de belangrijkste taken van Venus Express is dan ook de speurtocht naar actief vulkanisme: recente lavastromen, hot spots op het oppervlak, of verdachte bestanddelen in de dampkring. Maar veel opmerkelijker dan die mogelijke vulkanische activiteit is de geringe ouderdom van vrijwel het gehele Venusoppervlak. Op basis van onder andere kratertellingen komen geologen tot de conclusie dat geen enkel deel van het oppervlak ouder is dan pakweg tweehonderd miljoen jaar. Het is alsof de planeet zich in het geologisch recente verleden volledig binnenstebuiten heeft gekeerd.

Hoe zo’n planetaire facelift veroorzaakt kan worden is niet precies bekend; mogelijk heeft het te maken met het feit dat Venus zo goed als zeker geen plaattektoniek kent, waardoor de inwendige warmte van de planeet langer ‘opgepot’ blijft. Misschien gaf de grootschalige vulkanische activiteit van tweehonderd miljoen jaar geleden ook aanleiding tot de vorming van de huidige dikke, koolzuurrijke dampkring van Venus, met een luchtdruk aan het oppervlak van 90 atmosfeer. Het atmosferisch en klimatologisch onderzoek van Venus Express zal hopelijk antwoord geven op de vraag hoe die dampkring (met zijn extreme broeikaseffect en bijbehorende oppervlaktetemperatuur van 500 graden) ooit is ontstaan.

En Venus is niet de enige planeet die een ingrijpende klimaatcatastrofe achter de rug heeft. De andere buurplaneet van de aarde, Mars, moet in het verre verleden ook veel meer op de aarde hebben geleken, maar is zijn dampkring juist grotendeels kwijtgeraakt. Ooit waren luchtdruk en oppervlaktetemperatuur op Mars veel hoger, en stroomde er vloeibaar water over het oppervlak, maar nu rest nog slechts een dunne, ijle atmosfeer die de zonnewarmte nauwelijks weet vast te houden. De geringe zwaartekracht van Mars (die veel kleiner is dan Venus en de aarde) speelde ongetwijfeld een belangrijke rol bij het verdwijnen van de dampkring, maar de precieze oorzaak is nog onopgehelderd. Mogelijk vormde een catastrofale botsing met een komeet of een planetoïde de directe aanleiding.

Ook wanneer Mars zijn dampkring níet was kwijtgeraakt, zouden er trouwens ingrijpende klimaatschommelingen op de planeet zijn geweest. Computerberekeningen hebben uitgewezen dat de ashelling van Mars in de loop van de miljoenen jaren enorme variaties vertoont. Soms staat de draaiingsas vrijwel loodrecht op het baanvlak (de planeet staat dan ‘rechtop’); een andere keer is er sprake van een ashelling van meer dan zestig graden (Mars ligt dan bijna ‘op zijn zij’). Die standveranderingen worden veroorzaakt door de subtiele aantrekkingskrachten van de andere planeten in het zonnestelsel, en ze zijn natuurlijk van grote invoed op het klimaat. Twintig jaar geleden had niemand ooit gedacht dat een planeet zulke ingrijpende gedaanteverwisselingen zou kunnen ondergaan.

Afbeelding van Eistla Regio op Venus, samengesteld op basis van de Magellan-gegevens. bron: NASA Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Dans ontsprongen

Onze eigen aarde lijkt de dans te zijn ontsprongen. De stabiliserende invloed van de maan (die erg groot is in verhouding tot de moederplaneet) verhindert grote variaties in de ashelling van de aarde. En hoewel er in het geologische verleden zeker ingrijpende klimaatschommelingen zijn geweest – ruim twee miljard jaar geleden ging onze planeet zelfs lange tijd volledig schuil onder een dikke laag sneeuw en ijs – is er nooit sprake geweest van een op hol geslagen klimaatevolutie zoals die op Venus en Mars plaatsvond.

Niet dat er geen kosmische catastrofes hebben plaatsgevonden op aarde. Dezelfde maan die ons behoedt voor al te drastische standveranderingen van onze thuisplaneet is zelf zo goed als zeker het levende bewijs van een natuurramp die zijn weerga niet kent. Onderzoek aan de samenstelling van maanstenen doet vermoeden dat de maan voor een groot deel bestaat uit mantelmateriaal van de aarde. En krachtige computersimulaties laten zien hoe een schampende botsing van de aarde met een kleinere planeet inderdaad zoveel puin de ruimte in slingert dat daaruit de maan kan samenklonteren. Die ‘Big Splat’, kort na de vorming van de aarde, wordt tegenwoordig algemeen gezien als de enige serieuze verklaring voor de herkomst van de maan.

Het zonnestelsel is vierenhalf miljard jaar geleden ontstaan uit een platte, ronddraaiende schijf van gas en stof. In het midden van die schijf werd de zon geboren, die 99 procent van de totale massa van het stelsel voor zijn rekening brengt. In de koelere buitengebieden van de schijf klonterden de planeten samen, die de resterende één procent voor hun rekening nemen. En aan het eind van dat ‘accretieproces’ moeten er meer kosmische botsingen hebben plaatsgevonden, die onder andere tot de trage, tegendraadse rotatie van Venus en de gekantelde stand van de planeten Uranus en Pluto leidden – onvoorstelbare catastrofes die niets te maken hebben met orde, rust en regelmaat.

Ook de kleine planeet Mercurius is vermoedelijk een groot deel van zijn gesteentenmantel kwijtgeraakt bij een botsing in de prille jeugd van het zonnestelsel. Dat zou kunnen verklaren waarom de metaalrijke kern van de planeet verhoudingsgewijs zo enorm groot is. Veel zekerheid over dit scenario is er echter niet, want na 1975, toen de Amerikaanse Mariner 10 één helft van Mercurius in kaart bracht, is de planeet nooit meer van nabij onderzocht. Daar komt binnenkort gelukkig verandering in: de ruimtesonde Messenger komt in januari 2008 bij de kleine planeet aan, en moet (na enkele scheervluchten) in maart 2011 zelfs in een baan rond Mercurius gebracht worden.

De 6000 kilometer lange kloof Valles Marineris op Mars. De ‘rode planeet’ staat verder van de zon dan de aarde en heeft nauwelijks een atmosfeer. Zonder grote maan (zoals de aarde heeft) zwabbert de rotatie-as van Mars door de zwaartekracht van Jupiter en de zon op en neer. bron: NASA. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Kosmische voltreffer

Natuurlijk vonden kosmische inslagen niet alleen tijdens de ontstaansperiode van het zonnestelsel plaats. Behalve de negen planeten cirkelen er miljoenen stenige planetoïden rond de zon, worden kometen afgebogen door de zwaartekracht van de reuzenplaneten, en herbergen de koude buitendelen van het zonnestelsel talloze ijsdwergen, waarvan sommige zelfs groter zijn dan Pluto. Botsingen met soortgenoten (of met grotere planeten en manen) zijn weliswaar zeldzaam, maar even goed onvermijdelijk. Zo ontstond het statige, indrukwekkende ringenstelsel van Saturnus waarschijnlijk minder dan honderd miljoen jaar geleden toen een van de manen van de planeet verbrijzeld werd bij zo’n hemelse voltreffer. Over toeval en onbestendigheid gesproken: als een van de kleine maantjes van Jupiter volgend jaar geraakt wordt, zal die planeet straks de show stelen als de Lord of the Rings van het zonnestelsel.

Dankzij krachtige computersimulaties kwamen sterrenkundigen onlangs nog een veel recentere botsing op het spoor. Een bepaalde ‘familie’ van planetoïden – steenklompen die weliswaar in heel verschillende banen bewegen maar waarvan de baaneigenschappen toch bepaalde eigenschappen gemeen hebben – blijkt pas 8,2 miljoen jaar geleden te zijn ontstaan bij een hevige botsing in de planetoïdengordel tussen de banen van Mars en Jupiter. Door de banen van de familieleden terug in de tijd te extrapoleren, rekening houdend met alle zwaartekrachtseffecten van andere hemellichamen in het zonnestelsel, werd namelijk ontdekt dat ze zich 8,2 miljoen jaar geleden op dezelfde plaats bevonden.

De Veritas-botsing (genoemd naar de grootste planetoïde in de familie) moet ook een geweldige hoeveelheid stof en gruis in het zonnestelsel hebben geïnjecteerd. De neerslag daarvan op aarde is ontdekt door geologen die boorkernen van oude aardlagen hebben onderzocht. In afzettingsgesteenten van 8,2 miljoen jaar oud werd een vier maal zo hoge concentratie helium-3 gevonden dan gemiddeld. Helium-3 komt op aarde vrijwel niet voor, maar vormt wel een bestanddeel van kosmisch stof. Kennelijk dwarrelde er indertijd vier keer zo veel stof naar beneden dan in de periode ervoor en erna.

Veel langer geleden, aan het eind van het Krijt-tijdperk, was het écht raak. Een komeet of een planetoïde met een middellijn van een kilometer of tien boorde zich toen in de aardkorst, en richtte wereldwijde verwoestingen aan die op termijn afrekenden met de heerschappij van de dinosauriërs. Astronomen realiseren zich tegenwoordig dat het een kwestie van tijd is voordat zo’n ramp zich opnieuw voltrekt: gemiddeld eens in de honderd miljoen jaar wordt de aarde geraakt door een kosmische kei van een paar kilometer groot, die waarschijnlijk niemand op tijd ziet aankomen.

Kleinere projectielen zijn natuurlijk talrijker, en volgen elkaar in hoger tempo op. Zo hebben sterrenkundigen een planetoïde ontdekt met een middellijn van 350 meter die op vrijdag 13 april 2029 rakelings langs de aarde zal scheren. Het is niet uitgesloten dat de steenklomp daarbij zó wordt afgebogen dat hij in 2035 of 2036 met onze planeet in botsing komt. En Apophis, zoals de planetoïde is genoemd (naar een Egyptische god van verwoesting en ontmanteling), is niet de enige potentially hazardous asteroid (PHA) die nauwgezet in het oog wordt gehouden. Een dergelijke inslag zal niet het einde van de mensheid inluiden, maar wel honderden miljoenen slachtoffers kunnen maken en een compleet continent tot rampgebied bombarderen.

Stills uit de film Deep Impact, waarin een asteroïde een paar kilometer doorsnee in de oceaan stort. bron: Paramount Pictures. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Machteloos

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, staat de mensheid vrij machteloos tegenover dit onverschillige natuurgeweld. Als er voldoende waarschuwingstijd is, kan een klein hemellichaam zoals Apophis misschien nog wel op tijd in een iets andere baan worden gebracht, bijvoorbeeld door gebruik te maken van raketmotoren of kernexplosies. Maar een aanstormend projectiel van een kilometer groot laat zich door de mens net zo moeilijk tegenhouden of afbuigen als een aanstormende vrachtwagen door een jongetje met een katapult. Als het moderne planeetonderzoek ons één les heeft geleerd, is het wel dat het zonnestelsel voortdurend het toneel is van zinloos geweld, waartegen geen kruid is gewassen. Over relativering gesproken.

De potentiële bedreiging die uitgaat van de kleinere bewoners van het zonnestelsel vormt een van de drijfveren voor het recente wetenschappelijk onderzoek aan kometen en planetoïden: wie een oorlog wil winnen, moet eerst zijn vijand leren kennen. Maar daarnaast bieden de ijzige en stenige dwergen van het planetenstelsel ook een unieke kijk in de prehistorie van het zonnestelsel. Het zijn de overblijfselen van het samenklonteringsproces van de planeten – de kruimels die nog dezelfde samenstelling hebben als de oerwolk waaruit de aarde en de andere planeten ontstonden.

Geen wonder dat er de laatste jaren verschillende ruimtevluchten zijn ondernomen naar planetoïden en kometen – objecten die bovendien een verrassende veelzijdigheid vertonen. Een handvol planetoïden is van nabij onderzocht; NASA heeft een kunstmaan in een baan rond Eros gebracht en zelfs een halfzachte landing op dit langgerekte hemellichaam uitgevoerd, en afgelopen najaar deed de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA een heldhaftige (maar helaas onsuccesvolle) poging om bodemmonsters op te pikken van de planetoïde Itokawa, voor onderzoek op aarde.

Voor kometen geldt iets soortgelijks: sterrenkundigen beschikken over closeups van minstens vijf komeetkernen – broze samenballingen van gruis en ijs – en in de zomer van 2005 is de kern van komeet Tempel 1 zelfs met een projectiel beschoten door de NASA-ruimtesonde Deep Impact, om meer te weten te komen over samenstelling, structuur en inwendige opbouw. Minstens zo succesvol was het Stardust-project, dat half januari 2006 stofdeeltjes van komeet Wild 2 terugbracht op aarde – waardevol materiaal uit de prille jeugd van het zonnestelsel. En nog veelbelovender is de Europese Rosetta-missie, die twee jaar geleden werd gelanceerd en over achtenhalf jaar een lander moet neerlaten op de kern van komeet Churyumov-Gerasimenko.

Tijdens de fly-by van Wild-2 maakte Stardust van 500 km. afstand deze opname van de komeet. In totaal werden 72 foto’s genomen. bron: NASA / JPL. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Terug in de tijd

De recente lancering van de ruimtesonde New Horizons naar de verre planeet Pluto en zijn grote maan Charon dient in zekere zin hetzelfde doel. Als grote vertegenwoordigers van de Kuipergordel – de brede band met ijsdwergen buiten de baan van Neptunus – zijn ook Pluto en Charon fossiele overblijfselen uit de ontstaansperiode van het zonnestelsel. Wetenschappers mogen er dan ook graag op wijzen dat de reis van vierenhalf miljard mijl in de ruimte tevens een reis is van vierenhalf miljard jaar terug in de tijd. Na de Plutopassage in de zomer van 2015 moet New Horizons verder vliegen langs minstens twee andere, kleinere ijsdwergen, en het kan niet anders of dat onderzoek zal een nieuw licht werpen op de geboorte van de planeten.

Overigens heeft de ontdekking en voorlopige inventarisatie van de Kuipergordel al veel onverwachte resultaten opgeleverd. Resultaten die eens te meer aantonen dat het planetenstelsel dynamisch en onvoorspelbaar is, heel anders dan tot een jaar of tien geleden algemeen werd aangenomen. Buiten de baan van de reuzenplaneet Neptunus zijn inmiddels ruim duizend ijsdwergen ontdekt, en die vallen in een aantal families uiteen. Sommige bewegen in net zulke banen als Pluto (met een omlooptijd die exact anderhalf maal die van Neptunus is); andere bevinden zich in veel wijdere ellipsbanen, maar hun verdeling vertoont een vrij abrupte buitengrens op circa zevenenhalf miljard kilometer afstand van de zon. Een derde familie heeft extreem langgerekte banen die tot tientallen miljarden kilometers afstand reiken, alsof ze door zwaartekrachtsstoringen naar buiten zijn geslingerd.

Met behulp van theoretische berekeningen en uitvoerige computersimulaties kunnen de statistische kenmerken van de Kuipergordel in grote lijnen gereproduceerd en verklaard worden. De ijsdwergen zijn afkomstig uit de buitendelen van het zonnestelsel – de regio waar later Uranus en Neptunus ontstonden – en moeten door resonanties en zwaartekrachtsstoringen van deze reuzenplaneten in hun huidige banen terecht zijn gekomen. Er is echter één probleem: die verklaring gaat alleen op wanneer Uranus en Neptunus vroeger een stuk dichter bij de zon stonden dan nu het geval is. Sommige computersimulaties doen zelfs vermoeden dat Neptunus aanvankelijk binnen de baan van Uranus bewoog.

Ook Jupiter en Saturnus hebben waarschijnlijk niet stilgestaan. Saturnus is – net als Uranus en Neptunus – na zijn geboorte iets naar buiten bewogen; Jupiter is juist steeds dichter bij de zon komen te staan. Tijdens die migratie hebben de twee grootste planeten in het zonnestelsel ook een baanresonantie vertoond (waarbij de omlooptijd van Saturnus precies tweemaal zo groot was als die van Jupiter), en de periodieke zwaartekrachtsstoringen die daar het gevolg van waren, zijn van invloed geweest op de banen van de buitenste, kleine maantjes van de twee planeten. De scheve, langgerekte en teruglopende banen van die ‘onregelmatige’ maantjes kunnen op een andere manier niet goed verklaard worden.

De migratie van de reuzenplaneten in de begindagen van het zonnestelsel werd voornamelijk veroorzaakt door de wisselwerking van de planeten met de langzaam oplossende gas- en stofschijf waaruit het zonnestelsel ontstond. Gelukkig voor ons had die schijf een relatief geringe dichtheid, en werd het meeste gas al in een vroeg stadium de ruimte in geblazen, anders zou Jupiter nog veel dichter bij de zon terecht zijn gekomen. Dat had er ongetwijfeld toe geleid dat de aarde het zonnestelsel uit was geslingerd, of juist in de zon terecht was gekomen. In andere planetenstelsels is dat regelmatig voorgekomen: sterrenkundigen hebben tientallen exoplaneten ontdekt die minstens even zwaar zijn als Jupiter, maar in extreem kleine, snelle banen rond hun moederster bewegen, kennelijk als gevolg van zo’n uit de hand gelopen migratieproces.

En wie mocht denken dat chaos en onvoorspelbaarheid in de bewegingen van de planeten alleen in de jeugd van het zonnestelsel een rol van betekenis speelde, komt bedrogen uit. Supercomputersimulaties tonen aan dat het zonnestelsel nog steeds een chaotisch systeem is, waarin het niet mogelijk is om de posities van planeten in de verre toekomst nauwkeurig te voorspellen. Extreem kleine effecten, zoals de minieme baanverandering van de aarde als gevolg van de zwaartekracht van een passerende komeet, kunnen op den duur enorme effecten hebben, en het is niet uitgesloten dat Mars in de verre, verre toekomst een keer het zonnestelsel wordt uitgeslingerd, of dat de aarde en Venus van baan verwisselen.

Het zonnestelsel lijkt een toonbeeld van orde en regelmaat, maar zo stabiel als dit planetarium? Zelfs de minieme baanverandering van de aarde door de zwaartekracht van een passerende komeet kan op den duur enorme effecten hebben. Het is niet uitgesloten dat Mars in de verre, verre toekomst een keer het zonnestelsel wordt uitgeslingerd, of dat de aarde en Venus van baan verwisselen. bron: Smithsonian Institute. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Oogwenk

Ziedaar het nieuwe zonnestelsel: een chaotisch, onvoorspelbaar systeem dat gevormd en gemodelleerd is door ingrijpende gebeurtenissen als botsingen, inslagen en klimaatcatastrofes. Dankzij de nieuwe inzichten van modern planeetonderzoek zijn astronomen tot de conclusie gekomen dat de rust en regelmaat van het zonnestelsel maar schijn is, ingegeven door het feit dat zelfs de geschiedenis van de mensheid niet meer is dan een oogwenk in de evolutie van de planeten.

De nieuwe ruimtereizen die de afgelopen maanden van start zijn gegaan – naar Mercurius, Venus, Mars, Pluto en komeet Churyumov-Gerasimenko – zullen straks resultaten produceren waarmee de puzzel van het zonnestelsel gecompleteerd kan worden, en het lopende onderzoek aan Mars en Saturnus levert vrijwel dagelijks zoveel nieuwe informatie op dat planeetdeskundigen nog vele jaren vooruit kunnen met de analyse. Ongetwijfeld zal het boek van het zonnestelsel de komende decennia nog vele malen worden herschreven.

Wat níet zal veranderen, is de verwondering over de bijzondere plaats die de mens in dit fascinerend zonnestelsel inneemt. Ondanks alle chaos en catastrofes heeft zich op de derde kei vanaf de zon leven kunnen ontwikkelen, en waar de buurplaneten van de aarde veranderden in een zinderende hel en een stoffige vrieskist, bleef de aarde zijn unieke waterige karakter behouden, zodat er levensvormen konden ontstaan die nieuwsgierig werden naar hun eigen plaats in de kosmos. Díe speurtocht is nog lang niet ten einde.

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.