ontstaan van de aarde

Op Rosetta blijkt veel meer deuterium voor te komen dan op aarde, het gemiddelde Kuiperobject of de planetoïden. Bron: ESA/K. Altwegg

‘Aards water niet van kometen afkomstig’

Laat een reactie achter / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 15 december 2014

De samenstelling van het bevroren water van het doel van de Rosetta-missie, komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko, verschilt sterk met die van het water op aarde. Waar komt het aardse oceaanwater dan wel vandaan?

Meer deuterium in kometenwater
Het waterstof in water bestaat vrijwel geheel uit protium. Dat is de eenvoudigste en lichtste waterstofvariant, waarbij een elektron om een proton hangt. Een kleine fractie van het waterstof in zeewater bestaat uit deuterium, ‘zwaar water’, een waterstofvariant waarbij het proton er nog een neutron bijkrijgt. Van alle waterstofatomen op aarde is ongeveer 0,015 procent deuterium. Gelukkig komt het radioactieve tritium, met twee neutronen extra, zeer zelden voor, behalve in de buurt van lekkende Franse kweekcentrales.
In komeet 67P komt drie keer meer deuterium voor dan op aarde[1]. Een opmerkelijke ontdekking. Aards water lijkt het meeste op water dat in meteorieten en in de planetoïdengordel wordt aangetroffen, alsmede in de Trojanen van Jupiter: een zwerm ruimtepuin die in de Lagrangepunten van Jupiter, op ongeveer een zesde omloopbaan voor en achter de reuzenplaneet, hangt. 67P komt oorspronkelijk uit de Kuipergordel. Klaarblijkelijk bevatten de Oortwolk en de Kuipergordel, die zich buiten de baan van Neptunus uitstrekken, materiaal met een heel andere oorsprong dan de planetoïdengordel.
Ook blijkt de Kuipergordel niet homogeen: komeet 103P/Hartley-2, die ook uit de Kuipergordel afkomstig is, bleek juist uit water te bestaan dat exact evenveel deuterium bevat als aards water. 67P lijkt qua deuteriumgehalte juist meer op materiaal uit de Oortwolk, zie plaatje. Vermoedelijk vindt er uitwisseling van materiaal tussen de Kuipergordel en de Oortwolk plaats.
Het is ook niet een makkelijk te verklaren ontdekking. Deuterium is zwaar, waardoor het minder makkelijk weglekt dan protium. Planeten  waar veel water is verdwenen, zoals Mars en vooral Venus bevatten daarom een veel hoger percentage deuterium dan de aarde. Je zou daarom verwachten dat waterstof uit verafgelegen bronnen, zoals de ijzige Kuipergordel en Oortwolk,  veel minder deuterium zou moeten bevatten dan de aarde. Het tegendeel blijkt dus het geval.

Op Rosetta blijkt veel meer deuterium voor te komen dan op aarde, het gemiddelde Kuiperobject of de planetoïden. Bron: ESA/K. Altwegg
Op Rosetta blijkt veel meer deuterium voor te komen dan op aarde, het gemiddelde Kuiperobject of de planetoïden. Bron: ESA/K. Altwegg. Klik voor een vergroting.

Waar komt het aardse water dan wel vandaan?
Het aardse gesteente bevat van nature redelijk veel water, maar het oorspronkelijke oppervlaktewater is volgens de gangbare geofysische theorieën na het ontstaan van de aarde verdampt.
Sommige onderzoekers vermoeden dat de aarde toch ijskappen gehouden heeft en dat deze voldoende groot waren om de aarde opnieuw te benatten.
De meeste onderzoekers denken dat de aardse watervoorraad via een andere bron weer aangevuld moet zijn. Een mogelijke bron is gesteente: de aardse korst en mantel bevatten naar schatting twee tot drie maal zoveel water als de oceanen [2].
Er zullen meerdere inslagen van grote waterrijke asteroïden vanuit de asteroïdengodel plaats hebben gevonden. Van de Chicxulub-asteroïde, die de dino’s wegvaagde, wordt ondertussen vermoed dat deze afkomstig was uit de asteroïdengordel. Dit is dus op zich een logische bron. Mogelijk heeft de aarde ook materiaal van Venus ingevangen, toen deze planeet langzaam door de zon droog werd gekookt.

Bronnen
1. K. Altwegg et al., 67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio, Science, 2014
2. D.G. Pearson et al., Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond, Nature, 2014

Alleen de laatste twee wentelingen van de twintig bestaat er meercellig leven.

Tijdspiraal van de evolutie

3 reacties / Analyses, Wereld, Wetenschap / Door / 29 januari 2012

Het grootste deel van de geschiedenis van de aarde is er al leven,maar pas de laatste half miljard jaar, ongeveer tien procent van de geschiedenis van de aarde, is er echt meercellig leven. Dit wordt mooi weergegeven in deze grafisch uitgewerkte spiraal.

Alleen de laatste twee wentelingen van de twintig bestaat er meercellig leven.
Alleen de laatste twee wentelingen van de twintig bestaat er meercellig leven.

De afbeelding is afkomstig van Wikipedia.

Zonder een maan hadden we nooit dit plaatje kunnen zien, maar had zich wel een mensachtige soort kunnen ontwikkelen.

‘Ook planeet zonder grote maan levensvatbaar’

Laat een reactie achter / Wereld, Wetenschap / Door / 19 november 2011

Ook planeten zonder grote maan zijn stabiel genoeg om in evenwicht te blijven, zo blijkt uit nieuwe berekeningen. Dit maakt de kans op buitenaards leven een stuk groter.

Zonder een maan hadden we nooit dit plaatje kunnen zien, maar had zich wel een mensachtige soort kunnen ontwikkelen.
Zonder een maan hadden we nooit dit plaatje kunnen zien, maar had zich wel een mensachtige soort kunnen ontwikkelen.

‘Maan beschermt tegen Jupiter’
In 1993 toonde Jacques Laskar van de sterrenwacht van Parijs aan dat de maan hielp de hellingshoek van de aardse rotatieas te stabiliseren tegen verstoringen door de zwaartekrachtsveld van de gasreus Jupiter, verreweg de grootste planeet in het zonnestelsel. Volgens Laskar en zijn medeauteurs zou de draaiingsas van de aarde zonder de stabiliserende invloed van de maan, wild gaan schommelen tussen 0 en 85 graden[1].

Om een indruk te geven: in dat laatste geval staat de aarde op zijn kant en staat hartje zomer de zon loodrecht boven de noordpool. Dit zou zo enorm sterke klimaatschommelingen opleveren (zeg maar gerust: tropische zomers en Antarctische winters), dat levensvormen hoger dan bacteriën, vooral grote landbewonende organismen als wij, ernstig in de problemen zouden komen.

Veel astronomen concludeerden hieruit dat complex leven zeldzaam is in het universum. Immers, de aarde is de enige planeet met een in verhouding zo grote maan. De botsing tussen een protoplaneet zo groot als Mars en de aarde leverde uiteindelijk de maan op (de maantjes van Mars, in ieder geval zeker Deimos, zijn ingevangen planetoïden). Minder dan tien procent van alle aardachtige planeten zal een dergelijke ingrijpende gebeurtenis meemaken en een grote maan opleveren.

Wat is precessie?

De aarde maakt drie bewegingen: het draaien om de as dat het dag-nacht ritme veroorzaakt, de omloop om de zon en nog een derde, minder bekende beweging: de precessie. Als een enorme tol waggelt de aarde heen en weer in een ritme van 26 000 jaar, zie het filmpje. Daarom is voor ons Polaris de poolster, terwijl voor de oude Egyptenaren van 3000 vC de ster Thuban in het sterrenbeeld Draco de poolster was. Zonder maan, aldus het artikel in 1993, zou het wiebelen langzamer gaan, waardoor Jupiters zwaartekrachtseffect zou resoneren met de wiebel en versterkt zou worden. De aarde zou hierdoor totaal uit het lood schieten.

Ook zonder maan vier miljard jaar evenwicht
Laskar berekende echter niet hoe lang het zou duren voor dit effect zou optreden. Astronoom Lissauer deed dat wel met zijn team. Nu is dat ook makkelijker, de computers nu zijn stukken beter en sneller dan in 1993. Hij simuleerde met zijn collega’s een maanloze aarde gedurende meer dan vier miljard jaar. Met opvallend resultaat. De hellingshoek van de planeet schommelde ‘slechts’ tussen tien en vijftig graden. Er waren zelfs langere perioden, tot een half miljard jaar, waarin de hellingshoek stabiel bleef tussen 17 en 32 graden[2] (nu is deze 23 graden; hoe sterker de hellingshoek, hoe heftiger de seizoenen). De veranderingen kunnen natuurlijk veel groter zijn in periodes groter dan vier miljard jaar. Dit is echter niet zo relevant voor levensvormen op de planeet, want erg veel langer dan vijf tot zes miljard jaar blijft een planeet die rond een zonachtige ster draait niet bewoonbaar. Ook is het de vraag of grote manen altijd gunstig werken. Het kan namelijk ook zo zijn dat een grote maan juist zorgt dat een planeet in resonantie komt met de gasreus. De groep is nu bezig met  het bestuderen van afwijkende zonnestelsels.

Bronnen
1. Laskar et al., Stabilization of the Earth’s obliquity by the Moon, Nature (1993)
2. Lissauer et al., Obliquity variations of a moonless Earth, Icarus (2011)

Video: zo ontstond de maan

7 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 11 november 2011

Vier en een half miljard jaar geleden was de aarde een levenloze, gloeiend hete bol. Toen raakte een planeet ter grootte van Mars de proto-aarde. Wat er ontstond was de aarde zoals we die kennen, een waterrijke planeet met een bizar grote maan. Hoewel deze theorie, zoals ook voor concurrerende theorieën geldt, niet onomstotelijk vaststaat, is dit de populairste verklaring voor de vorming van het aarde-maan stelsel. Zou het zo gelopen zijn als in deze video?

Heeft een latere supernova de aarde gebombardeerd met radioactieve metalen?

3 reacties / Visionaire vragen, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 12 september 2011

De aardse korst is erg rijk aan radioactieve metalen als uranium. Vreemd, want die zijn heel zwaar en zouden dus al lang naar beneden hebben moeten zakken. Waar komen deze metalen vandaan?

Dankzij een asteroïdenbombardement is de aardkorst erg rijk aan metalen als goud en uranium. Maar waar komt die merkwaardig hoge radioactiviteit vandaan?
Dankzij een asteroïdenbombardement is de aardkorst erg rijk aan metalen als goud en uranium. Maar waar komt die merkwaardig hoge radioactiviteit vandaan?

Alle metaal in de kern van de aarde
Bij de vorming van zwaardere hemellichamen vindt een proces plaats waarbij de zwaardere delen naar de kern zakken, terwijl de lichtere delen naar boven komen drijven. Om die reden zit vrijwel alle metaal van de aarde in de nikkel-ijzer kern. Dit inclusief zwaardere metalen, die graag een legering met ijzer vormen, zoals goud. Zou al dit edelmetaal aan de oppervlakte liggen, dan was de aarde overdekt met een vier meter dikke laag goud, zilver, iridium, osmium en platina. Hoe de kern is samengesteld weten we uit fragmenten van ijzermeteorieten, de overblijfselen van de kern van een planetesimaal die miljarden jaren geleden uiteen is gespat. Deze bestaan bijna helemaal uit massief metaal: een legering van ijzer met vijf procent nikkel en een procent kobalt.

We zeiden het al eerder: metaalasteroïden zijn tot honderden kilometers grote brokken vrijwel puur metaal. De grootste metaalasteroïde, 16 Psyche, is met met dan 200 km doorsnede groot genoeg om de aardse metaalhonger voor een miljoen jaar te stillen. Wel is de planeet dan uiteraard overdekt met een dikke laag roest, dus recycling is beslist een slimmer idee.

Wolfraam wijst op inslag metaalrijke asteroïde
In september 2011 is onderzoek gedaan aan Groenlandse rotsen van 3,8 miljard jaar oud. De aarde zelf was bij het ontstaan van deze rots minder dan een miljard jaar oud. Twee wolfraam-isotopen komen hierin in een iets andere verhouding voor dan in jongere rotsen, denk aan rotsen van drie miljard jaar of jonger.  Klaarblijkelijk is er iets gebeurd in de tussentijd. Astronomen denken dat dat ‘iets’ het “late heavy bombardment” is geweest, waar vermoedelijk de inslag van een metaalasteroïde onderdeel van uitmaakte. Deze heeft de aardkorst voorzien van een zeer hoge concentratie zware metalen.

Waarom is de aardkorst zo radioactief?
We weten uit metingen aan neutrino’s, dat de aardkorst, om precies te zijn: de continentale aardkorst, de grootste bron is van het type neutrino’s dat vrijkomt bij radioactief verval. Met andere woorden: in de aardkorst zitten twee ordes van grootte (rond de honderd maal) hogere concentratie zware radioactieve metalen zoals uranium, dan in welk ander deel van de aarde ook, inclusief de kern die vrijwel geen radioactief materiaal bevat [2].

Interessant is uiteraard de vraag waarom deze meteorietfragmenten veel radioactiever waren dan de metalen die de kern van de aarde hebben gevormd. Radioactiviteit, het is bekend, neemt af met de tijd. Klaarblijkelijk is het metaal in de aarde dus eerder gevormd dan de meteorietfragmenten die op de aarde zijn neergeregend. Er zijn dus, zou je kunnen concluderen, twee verschillende bronnen van zware metalen in het zonnestelsel. De eerste bron is de oudere explosie, misschien wel daterend van vele miljarden jaren voor het ontstaan van het zonnestelsel, die de nevel schiep waaruit het zonnestelsel is ontstaan.

De tweede bron is dan van recentere datum en produceerde veel radioactief materiaal. Dit moet volgens recente inzichten om botsende neutronensterren zijn gegaan[3]. Misschien is de schokgolf hiervan de trigger geweest waarom de protosolaire nevel is gaan samentrekken. Inderdaad wijzen waarnemingen aan andere nevels er op dat botsende gaswolken voor een kritische verdichting kunnen zorgen. Misschien dat brokstukken materiaal afkomstig uit de tweede, recentere bron de leverancier zijn geweest van deze radioactieve fragmenten en het Late Heavy Bombardment in het algemeen in gang heeft gezet. Nu vermoedelijk bekend is waar zware elementen vandaan komen, is dat niet al te moeilijk om vast te stellen. We hoeven alleen de verhoudingen van bepaalde radioactieve isotopen te meten om de ouderdom van hun bron vast te stellen, bijvoorbeeld door de stokoude Groenlandse rots te vergelijken met jonge rots. De grootst denkbare whodunnit: welke gebeurtenis heeft het ontstaan van het zonnestelsel op zijn geweten?

Bronnen
1. Matthias Willbold, Tim Elliott en Stephen Moorbath, The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment, Nature, 2011
2. Stephen T. Dye en Eugene H. Guillian, Estimating terrestrial uranium and thorium by antineutrino flux measurements, PNAS.org (2007)
3. Stephane Goriely et al., r-process Nucleosynthesis in Dynamically Ejected Matter of Neutron Star Mergers, Astrophysical Journal (2011), zie ook Physorg

Hete Jupiters (het puntje in het midden van de donkere kloof) worden naar binnen gezogen door zwaartekrachtsinteracties met de nevel binnen (die ze vervolgens opslokken). Maar hoe zit het met superaardes?

Nieuwe planeetklasse: de superaarde

6 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 5 augustus 2011

We dachten dat het indelen van planeten makkelijk was. Er zijn kleine, rotsachtige planeten zoals de Aarde en Mars. Dan zijn er de gigantische gasreuzen en ijsreuzen, zoals Jupiter en Uranus. Zo is het in ons zonnestelsel tenminste ‘geregeld’. Naar nu blijkt, is dat een uitzondering. Er bestaat een derde klasse van planeten: de superaardes, die de massa van een ijsreus hebben, maar  helemaal opgebouwd zijn uit vast materiaal.

Hete Jupiters (het puntje in het midden van de donkere kloof) worden naar binnen gezogen door zwaartekrachtsinteracties met de nevel binnen (die ze vervolgens opslokken). Maar hoe zit het met superaardes?
Hete Jupiters (het puntje in het midden van de donkere kloof) worden naar binnen gezogen door zwaartekrachtsinteracties met de nevel binnen (die ze vervolgens opslokken). Maar hoe zit het met superaardes?

Zonnestelsel is uitzondering
Astronomen hebben zich lang afgevraagd waarom sommige planeten zich ontwikkelden tot rotsklompen en andere veranderden in een gasreus. In de gangbare theorieën had dit het een en ander te maken met de afstand tot de zon. De eerste gasreus, Jupiter, bevindt zich op een plek waar het zo koud is dat waterstof niet wegkookt uit de atmosfeer. Maar toch. Waarom bestaan er in het zonnestelsel geen planeten die half gasreus, half aardachtige planeet zijn? Tenzij je Venus zo ziet, misschien.

Astronomen hoeven zich deze vraag niet meer te stellen. Nu er steeds meer exoplaneten opduiken, wordt steeds duidelijker dat ons zonnestelsel een uitzondering is. In veel exo-zonnestelsels banjeren monsterachtig grote “hete Jupiters” op zeer korte afstand van hun moederster rond. Dit is overigens ook de reden waarom ze zo makkelijk konden worden ontdekt: ze laten daardoor de bijbehorende ster flink schommelen.

Superaardes
Ook een tweede, onverwachte nieuwe klasse planeet dook op. Aardachtige planeten, maar dan met een massa zo groot als die van ijsreuzen als Uranus of Neptunus. Onmogelijk, volgens gangbare astronomische modellen. Deze planeten zijn immers zo zwaar, dat ze waterstof en helium opslokken tot ze veranderen in een gasreus. Desondanks duikt de ene superaarde na de andere op. Uit sterbedekkingen weten we dat ze compact zijn, dus een hoge dichtheid hebben en geen extreem dichte atmosfeer. De vraag blijft uiteraard: waar komen deze superaardes vandaan? Waardoor zijn ze niet veranderd in gasreuzen? En misschien wel de belangrijkste vraag: waarom is er geen superaarde in ons zonnestelsel, bijvoorbeeld op de plek van Mars? Ons zonnestelsel blijkt steeds uitzonderlijker dan eerder gedacht.

Hoe kunnen deze superaardes zich vormen?

Haghighipour beschrijft in zijn artikel de verwarring op dit moment onder planetologen. Het is makkelijk om gasreuzen te verklaren – gasreuzen vormen zich uit lokale verdichtingen en als twee gasreuzen (of een gasreus en een aardachtige planeet) botsen, slokken ze elkaar op. Het is ook makkelijk om te verklaren hoe kleine stofjes aaneensinteren tot objecten van ongeveer een centimeter. De grote problemen zitten hem in de groei van een grootte van een knikker tot de grootte van een maan. Planetoïden, bijvoorbeeld, worden nu steeds kleiner door botsingen. Maar misschien worden sommige proto-gasreuzen drooggekookt door de centrale ster en zorgde de gasenvelop er voor dat ze makkelijk kleinere hemellichamen konden opslokken. Zou de aarde begonnen zijn als gasreus? Of zouden sterrenzaden het begin geleverd hebben?

Bronnen
1. Super Earths: a new class of planetary bodies, Arxiv.org (2011)

Vesta vergeleken met een aantal veel kleinere planetoïden.

‘Vesta ouder dan de aarde’

2 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 2 augustus 2011

NASA’s Dawn missie, voortgestuwd door een ionenmotor, onthult met nieuwe foto’s een divers en dramatisch landschap op de op een na grootste planetoïde van het zonnestelsel.

Vesta vergeleken met een aantal veel kleinere planetoïden.
Vesta vergeleken met een aantal veel kleinere planetoïden.

Dawn bereikte een stabiele omloopbaan om Vesta op 16 juli 2011. Vesta is na Ceres de zwaarste planetoïde (of asteroïde) van het zonnestelsel en kan nieuwe inzichten verschaffen over de aarde en andere planeten. Meteorieten die afkomstig zijn van Vesta, suggereren namelijk dat de miniplaneet vermoedelijk ouder is dan de aarde en de andere planeten. Vesta is een miniatuurplaneetje (plm. 500 km doorsnede) met een ijzer-nikkelkern en een mantel van het gesteente olivijn. De korst is ongeveer 10 km dik. Qua samenstelling lijkt het planeetje nogal op het mantelgesteente van de aarde. Het vrijwel ontbreken van zwaartekracht maakt het heel interessant om een honderden kilometers diepe tunnel tot in de kern van het planeetje te boren. IJzer en nikkel liggen daar vrijwel voor het opscheppen.

Nieuwe beelden van Dawn geven de nauwkeurigste foto’s van het landschap op Vesta tot nu toe. De resolutie is vijfhonderd meter – minder dan een duizendste van de diameter van Vesta. Vesta lijkt miljarden jaren geleden geraakt te zijn door een enorm object. Mogelijk de verklaring voor de vele honderden Vesta-meteorieten die op aarde zijn aangetroffen. De inslag leidde tot schokgolven op de equator en een duidelijke inslagkrater op de zuidpool.

Men slaagde er zelfs in uit verschillende beelden een video samen te stellen van de roterende Vesta op ongeveer 5 200 km afstand.

Vesta lijkt nog de nodige raadsels te bevatten. Zo zijn er in de kraters merkwaardige donkere vegen aangetroffen. De onderzoekers staan voor een raadsel en hopen dat als Dawn de miniplaneet dichter nadert, meer bekend zal worden over deze merkwaardige structuren.

De verschillen in kleuren en helderheid wijzen op een erg heterogeen oppervlak. In principe is dat goed nieuws voor mijnbouw, want er zullen dan waarschijnlijk geconcentreerde afzettingen van bepaalde grondstoffen voorkomen.

Dawn spiraalt steeds dichter en dichter naar het microplaneetje toe. De bedoeling is de satelliet uiteindelijk slechts 200 km boven het oppervlak te laten vliegen. Na rond een jaar waarnemingstijd zal de ruimtesonde afreizen naar de grootste planetoïde, Ceres. Dit is mogelijk door de toepassing van ion propulsie, een nieuwe techniek met behulp waarvan veel meer stuwkracht uit brandstof is te halen. Hierbij worden ionen zeer sterk versneld met elektrische en magnetische velden. De bedenkers zeggen geïnspireerd te zijn door een aflevering van Star Trek.

We zullen de komende maanden dit artikel bijwerken met de nieuwste updates.

Bronnen
Dawn missiesite – NASA