ontstaan van het zonnestelsel

Sporen voorouderster zonnestelsel ontdekt

Waar komen we vandaan? `De oorsprong van het zonnestelsel is een van de fundamentele, nog onopgeloste problemen in de astrofysica. Het algemene mechanisme is al bekend: een enorme wolk gas en stof stort onder zijn eigen gewicht in. Maar wat gaf de aanzet voor deze ineenstorting?

De Trifidnevel lijkt in veel opzichten op de vermoedelijke voorouderwolk van het zonnestelsel.

Meteorieten bevatten sporen van vroegere sterexplosie
We hebben verschillende aanwijzingen. De interessantste ‘lead’ is de isotopenverdeling in meteorieten. In het kort: atomen zijn niet gelijk geschapen. Zo heeft koolstof-12, de ‘huis- tuin-en-keuken’-soort, een radioactief neefje met 2 extra neutronen, koolstof-14, met behulp waarvan bepaald kan worden hoe oud organisch materiaal is. Ook meteorieten bevatten overblijfselen van de atoomkernen die werden gevormd tijdens de verwoestende explosie, die de kraamkamer waaruit het zonnestelsel zich vormde schiep.

Radioactief aluminium vormde zich extreem snel
Eén van de radioactieve isotopen die zich bij een supernova vormen is aluminium-26. Deze isotoop zorgt bij het radioactieve verval voor een karakteristieke gloed. Al-26 valt in ongeveer zevenhonderdduizend jaar voor de helft uit elkaar. Erg lang duurt het dus niet voordat de verhouding tussen Al-26 en de niet-radioactieve, ‘normale’ Al-24 begint te dalen. Nu is er wat vreemds aan de hand. In sommige meteorieten, CV-chondrieten, komt abnormaal veel Al-26 voor. Iets moet dus relatief ‘korte’  tijd geleden radioactief Al-26 in de stofwolk geïnjecteerd hebben. Uit deze metingen blijkt nog iets vreemds. Alle CV-chondrieten hebben zich in een extreem korte periode gevormd – in rond de twintigduizend jaar. Welke plotselinge gebeurtenis produceerde deze aluminium-26?

Sterrenwind of supernova?
Er zijn verschillende mogelijkheden. Verschillende typen sterren stoten grote hoeveelheden Al-26 uit. Wellicht vormde ons zonnestelsel zich in de buurt van een dergelijke ster.  De meeste astrofysici geloven echter dat er vlakbij de kraamkamer van de zon een supernova plaatsvond die een schokgolf van hete gassen, waaronder Al-26, door de oernevel stuurde. Maar welk scenario klopte nu?

Supernova blijkt de oorzaak
Matthias Gritschneder van de Peking University in Beijing en zijn collega’s hebben een computersimulatie uitgevoerd van de vorming van het zonnestelsel. Hieruit blijkt duidelijk dat de supernova-hypothese het kansrijkste is. In hun nieuwe model passeert een schokgolf van hete gassen van een supernova een koude gaswolk. Niet alleen blijkt de supernova precies de juiste hoeveelheden Al-26 te produceren, ook laat de schokgolf de gaswolk instorten, waaruit het zonnestelsel ontstaat. Dit hele proces blijtk ook heel snel plaats te vinden. CV-chondrieten vormen zich volgens het model onder de achttienhonderd graden Celsius in ongeveer twintigduizend jaar. Precies de tijd die uit waarnemingen bekend is dus.

Paar losse eindjes
De simulatie is uitgevoerd in 2D en niet in 3D. Mogelijk zijn dus niet alle fysische processen juist uitgevoerd. Ook moeten andere isotoopverhoudingen worden verklaard. Het wachten is dus op nog betere simulaties. Toch is het een bemoedigend teken dat deze populairste theorie zo goed overeen lijkt te komen met de gegevens.

Bron:
Mathias Gridschneder et al., The Supernova Triggered Formation And Enrichment Of Our Solar System, ArXiv.org (2011)

‘Waterstofgeisers en ijzerpoeder op Mercurius’

De merkwaardige holtes. Bron: NASA

Mercurius blijkt heel wat minder saai dan hiervoor gedacht. De kleinste planeet, tegelijk ook de planeet met de hoogste temperatuurverschillen in het zonnestelsel bleek nog heel wat verrassingen te herbergen. Zoals beelden van ruimtesonde MESSENGER met raadselachtige, onverklaarbare structuren op het oppervlak. De eerste theorieën komen nu binnen.

Raadselachtige holten
Op het oppervlak van Mercurius bevinden zich merkwaardige ondiepe holten met een onregelmatige vorm. De holten hebben geen opstaande rand – wat kratervorming uitsluit. Ook vormden de holten zich in bestaande kraters, wat betekent dat ze zich vrij recent (naar kosmische begrippen dan) moeten hebben gevormd. De holtes zijn ook merkwaardig helder, vermoedelijk omdat ze bedekt zijn met een licht materiaal.  Er moet zich dus iets als een vulkaanuitbarsting hebben voorgedaan aan of vlak bij de oppervlakte van de kleine planeet. Maar hoe? 
Waterstof opgelost in vloeibaar ijzer
Marvin Hendon, een niet aan een universiteit of instituut verbonden onderzoekers, denkt dat de verklaring gezocht moet worden in ijzer. Vloeibaar ijzer, om precies te zijn, waarin tijdens de vorming van Mercurius onder hoge temperatuur en druk grote hoeveelheden waterstofgas is opgelost. Inderdaad zijn van veel metalen, waaronder ijzer, metaalhydriden bekend en zou er in de kern van de aarde heel goed de nodige waterstof opgeslagen kunnen liggen[1]. Bij het afkoelen tot vast ijzer werd de waterstof uit het ijzer verdreven en zou het gas als een waterstofgeiser aan het oppervlak van de planeet ontsnappen. Deze waterstofgeisers kunnen de lage holten hebben veroorzaakt, aldus Herndon.

Tijdens zijn toch naar de oppervlakte van de planeet zou het waterstofgas met verschillend substanties reageren. Zo wordt ijzersulfide gereduceerd tot metallisch ijzer plus het gas waterstofsulfide (FeS + H2-> Fe + H2S). IJzersulfide komt veel voor op de oppervlakte van Mercurius, weten we. Herndon denkt dat het vrijgekomen ijzerpoeder deze depressies hun lichte kleur geeft. Inderdaad zouden met deze ene theorie twee verschillende verschijnselen verklaard worden. [2]

Diepe ijsafzettingen?
Een andere interessante gedachte is dat er misschien diep in de planeet, in de poolstreken waar de gemiddelde temperaturen erg laag zijn, water- of ijsafzettingen kunnen voorkomen. Ook nikkeloxiden en andere zuurstofrijke verbindingen komen op en in Mercurius namelijk veel voor: de extreem dunne atmosfeer bestaat zelfs voor 40% uit zuurstof. Als waterstof hiermee reageert, ontstaat water. Mogelijk is dit mede de verklaring voor het waterijs in kraters in de poolstreken van de kleine planeet.

Lees ook: Mercurius, verborgen schatten

‘Elektrisch ijs leidde tot vorming planeten’

Het ijs dat wij uit de vriezer en de Elfstedentocht kennen is elektrisch neutraal. Er zijn echter vele anderen soorten ijs, waaronder elektrisch ijs, ijs-XI. Deze vreemde vorm van water is veel taaier en komt veel meer voor dan tot nu toe gedacht en kan wel eens een belangrijke rol hebben gespeeld in de manier waarop ons zonnestelsel zich heeft gevormd. En, nog interessanter, zelfs leven.

Herbergt Antarctica behalve miljoenen pinguïns, ook elektrisch ijs?

Elektrisch ijs-XI bij zeer lage temperaturen op Antarctica?
Zuurstof trekt elektronen veel sterker aan dan waterstof. Een enkel molecuul water kent een positieve kant – de waterstofkant – en de negatieve zuurstofkant. Dit maakt water één van de merkwaardigste substanties in het universum. Zo zijn er meer dan tien verschillende soorten ijs. Het ijs dat we uit het dagelijks leven kennen, ijs-1h, is zo geordend dat de waterstofatomen random door elkaar zijn geplaatst. Als gevolg hiervan is ijs elektrisch neutraal. Als ijs wordt afgekoeld tot een ijzige zestig kelvin (-213,15 graden Celsius), dan gaan de waterstofatomen zich netjes in een regelmatig patroon schikken. In dit perfect regelmatige kristal, onder wetenschappers bekend als ijs-XI of elektrisch ijs, zijn er duidelijke gebiedjes met positieve en negatieve lading.

Door die polarisatie klontert ijs-XI veel sneller samen dan ‘normaal’ ijs, namelijk door statische elektriciteit. Als het vroege zonnestelsel veel ijs-XI bevatte, zouden planetenbeginsels veel sneller gegroeid zijn dan tot nu toe voor mogelijk wordt gehouden. Elektrische aantrekking is bij kleine objecten namelijk vele ordes van grootte sterker dan zwaartekrachtsaantrekking. Ook kan elektrisch ijs organische verbindingen aantrekken, wat tot het ontstaan van complexe moleculen en uiteindelijk leven kan leiden. Sommigen beweren dat op Antarctica dit elektrische ijs voorkomt, maar deze claim is omstreden. Wel zijn astronomen er van overtuigd dat het geheimzinnige goedje veel voorkomt in de cryogene leegten van de Kuipergordel en de Oortwolk.

IJs-XI laat zelfs na ‘smelten’ tot gewoon ijs geheugenafdruk achter

IJs-XI is door zijn zeer regelmatige kristalvorm sterk ferroelektrisch.

In 2006 produceerden Masashi Arakawa en zijn collega’s ijs-XI in het lab bij een temperatuur tussen de 57 en 66 kelvin. Dit zijn de temperaturen op de ijsreus Uranus en zijn manen. Dit temperatuurbereik is te klein om genoeg ijs-XI te hebben gevormd voor een belangrijke rol in de vorming van planeten. Althans: dat dacht men tot nu toe. IJs-XI blijkt veel taaier dan tot nu toe gedacht. Om te beginnen kunnen kleine stukjes ijs-XI grote hoeveelheden ‘normaal’ ijs in zichzelf omzetten. Arakawa’s groep koelde huis-tuin- en keuken ijs af tot zestig kelvin, waarna zich ijs-XI vormde. Ze verwarmden het daarna tot honderd kelvin zodat het weer in ‘normaal’ ijs veranderde. Daarna koelden ze het ‘gewone’ ijs weer af.

Nu gebeurde er iets vreemds.  IJs-XI vormde zich al bij 72 kelvin. Vreemd genoeg bleef standaardijs standaardijs bij 72 kelvin. Onderzoekers denken dat de oorzaak ligt in nanogebiedjes met ijs-XI die de hogere temperatuur overleven. Verdere experimenten toonden zelfs aan dat de nanogebiedjes overleven tot 111 kelvin. IJs-XI zou dus wel eens veel meer in de ruimte kunnen voorkomen dan tot nu aangenomen.

Erg snel gaat die omzetting overigens niet bij die extreem lage temperaturen. Zuiver waterijs kan er duizenden jaren over doen om omgezet te worden in ijs-XI. Arakawa speelde daarom vals met een natriumoplossing. Natrium komt niet erg veel voor in de ruimte, maar mogelijk kunnen ook andere, vaker voorkomende substanties als methaan of ammoniak de vorming van ijs-XI katalyseren. Tijd voor een volgend experiment dus…

Lees ook: Eendimensionaal elektrisch ijs geproduceerd, ‘Leven begonnen in ijs’

Bron:
New Scientist

Nieuwe planeetklasse: de superaarde

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?

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)

Dutch