Zonlicht verdampend gas verwarde de banen van de reuzenplaneten, suggereren simulaties
De opwarming en verdamping van de schijf van gas en stof rond een jonge ster (zoals te zien in deze afbeelding) door zonlicht, heeft mogelijk geleid tot een verschuiving in de banen van de zich nog vormende reuzenplaneten in de vroege geschiedenis van het zonnestelsel.
In de beginjaren van het zonnestelsel gingen de zich nog vormende reuzenplaneten opzij, deden een do-si-do en zwaaiden vervolgens een van hun partners weg uit de zwaartekracht van de zon. De zaken kwamen tot rust en ons planetenstelsel bevond zich in zijn definitieve configuratie.
Wat die planetaire shuffle veroorzaakte, is onbekend. Nu suggereren computersimulaties dat de hete straling van de jonge zon verdampt zijn planeetvormende schijf van gas en stof leidde tot het klauteren van de banen van de reuzenplaneten, rapporteren onderzoekers in de 28 april Natuur.
Als gevolg hiervan kunnen de vier grootste planeten ongeveer 4,6 miljard jaar geleden in hun definitieve configuratie zijn geweest binnen 10 miljoen jaar na de geboorte van het zonnestelsel. Dat is veel sneller dan de 500 miljoen jaar die eerder werk had gesuggereerd.
Het planetaire schuifmechanisme dat het team ontdekte in de computersimulaties is zeer innovatief, zegt Nelson Ndugu, een astrofysicus die de vorming van planetaire systemen bestudeert aan de North-West University in Potchefstroom, Zuid-Afrika, en de Muni University in Arua, Oeganda. “Het heeft een enorm potentieel.”
Talloze bewijzen, waaronder waarnemingen van planetaire systemen buiten het zonnestelsel die zich vormen (SN: 7/2/18), had al aangegeven dat iets in de vroege geschiedenis van ons zonnestelsel de banen van de reuzenplaneten door elkaar schudde, wat wetenschappers de instabiliteit van de reuzenplaneet noemen (SN: 25/5/05).
“Het bewijs voor de instabiliteit van de reuzenplaneet is echt robuust”, zegt Seth Jacobson, een planetaire wetenschapper aan de Michigan State University in East Lansing. “Het verklaart veel kenmerken van het buitenste zonnestelsel”, zegt hij, zoals het grote aantal rotsachtige objecten voorbij Neptunus die de Kuipergordel vormen (SN: 31-12-09).
Om erachter te komen wat die instabiliteit veroorzaakte, voerden Jacobson en collega’s computersimulaties uit van de duizenden manieren waarop het vroege zonnestelsel zich had kunnen ontwikkelen. Het begon allemaal met een jonge ster en een planeetvormende schijf van gas en stof rond de ster. Het team wijzigde vervolgens de schijfparameters, zoals de massa, dichtheid en hoe snel het evolueerde.
De simulaties omvatten ook de nog steeds vormende reuzenplaneten – in feite vijf. Astronomen denken dat een derde ijsreus, naast Uranus en Neptunus, oorspronkelijk lid was van het zonnestelsel (SN: 4/20/12). Jupiter en Saturnus ronden de eindtelling van deze massieve planeten af.
Toen de zon officieel een ster werd, dat wil zeggen, op het moment dat hij waterstof in zijn kern begon te verbranden – ongeveer 4,6 miljard jaar geleden – zou zijn ultraviolette emissie het gas van de schijf hebben geraakt, het ioniseren en het tot tienduizenden graden opwarmen. “Dit is een zeer goed gedocumenteerd proces”, zegt Jacobson. Naarmate het gas opwarmt, zet het uit en stroomt het weg van de ster, te beginnen met het binnenste gedeelte van de schijf.
“De schijf verspreidt zijn gas van binnenuit”, zegt Beibei Liu, een astrofysicus aan de Zhejiang University in Hangzhou, China. Hij en Jacobson werkten voor het nieuwe onderzoek samen met astronoom Sean Raymond van Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux in Frankrijk.
In de simulaties van het team, als het binnenste deel van de schijf oplost, verliest dat gebied massa, dus de ingebedde, nog steeds vormende planeten voelen minder zwaartekracht uit dat gebied, zegt Jacobson. Maar de planeten voelen nog steeds dezelfde hoeveelheid aantrekkingskracht van het buitenste gebied van de schijf. Deze zwaartekracht, zoals het team het noemt, kan een rebound-effect veroorzaken: “Oorspronkelijk migreren de planeten naar binnen en bereiken ze de [inner] rand van deze schijf, en ze keren hun migratie terug”, zegt Liu.
Vanwege de grote massa van Jupiter is het grotendeels onaangetast. Saturnus beweegt echter naar buiten en in het gebied, dat in de simulaties de drie ijsreuzenplaneten bevat. Dat gebied wordt druk, zegt Liu, en er volgen nauwe planetaire interacties. Een ijsreus wordt volledig uit het zonnestelsel geschopt, Uranus en Neptunus schuiven iets verder van de zon af en “vormen geleidelijk de banen die dicht bij de configuratie van ons zonnestelsel liggen”, zegt Liu.
In hun computersimulaties ontdekten de onderzoekers dat wanneer de straling van de zon de schijf verdampt, er bijna altijd een planetaire herschikking volgt. “We kunnen deze instabiliteit niet vermijden”, zegt Jacobson.
Nu de onderzoekers een idee hebben van wat deze shuffle van het zonnestelsel kan hebben veroorzaakt, is de volgende stap om te simuleren hoe de verdamping van de schijf andere objecten zou kunnen beïnvloeden.
“We hebben ons heel erg op de reuzenplaneten gefocust, omdat hun banen de oorspronkelijke motivatie waren”, zegt Jacobson. “Maar nu moeten we het vervolgwerk doen om te laten zien hoe dit triggermechanisme zich verhoudt tot de kleine lichamen.”
