Hoe planeten sterren in het heelal omringen, blijft een onderwerp van discussie. Ondanks de overvloed aan werelden in ons eigen zonnestelsel, weten wetenschappers nog steeds niet zeker hoe planeten zijn ontstaan. Momenteel strijden twee theorieën om de rol van kampioen.

De eerste en meest geaccepteerde theorie, kernaccretie, werkt goed bij de vorming van aardse planeten zoals de Aarde, maar heeft problemen bij reuzenplaneten. De tweede, de methode van de schijfinstabiliteit, kan het ontstaan van deze reuzenplaneten verklaren.

Wetenschappers blijven planeten in en buiten het zonnestelsel bestuderen in een poging beter te begrijpen welke van deze methoden het nauwkeurigst is.

Gerelateerd: Hoe groot is de aarde?
Gerelateerd: Wat is de snelheid van de aarde rond de zon?

Het kernaccretiemodel

Zo’n 4,6 miljard jaar geleden was het zonnestelsel een wolk van stof en gas die bekend staat als een zonnenevel. Door de zwaartekracht viel het materiaal in elkaar toen het begon te draaien, waardoor de zon in het centrum van de nevel ontstond.

Toen de zon opkwam, begon het resterende materiaal samen te klonteren. Kleine deeltjes trokken samen, gebonden door de zwaartekracht, tot grotere deeltjes. De zonnewind veegde lichtere elementen, zoals waterstof en helium, weg uit de dichterbij gelegen gebieden, zodat alleen zware, rotsachtige materialen overbleven waaruit kleinere aardwerelden zoals de aarde ontstonden. Maar verder weg had de zonnewind minder invloed op de lichtere elementen, waardoor ze konden samensmelten tot gasreuzen. Zo ontstonden asteroïden, kometen, planeten en manen.

De rotsige kern van de Aarde werd het eerst gevormd, waarbij zware elementen botsten en zich aan elkaar bonden. Dik materiaal zonk naar het centrum, terwijl het lichtere materiaal de korst vormde. Het magnetisch veld van de planeet is waarschijnlijk rond deze tijd ontstaan. De zwaartekracht ving enkele van de gassen op waaruit de vroege atmosfeer van de planeet bestond.

Ergens vroeg in zijn evolutie werd de Aarde getroffen door een inslag van een groot lichaam dat stukken van de mantel van de jonge planeet de ruimte in katapulteerde. Door de zwaartekracht kwamen veel van deze stukken samen en vormden zo de maan, die in een baan om zijn schepper ging draaien.

De stroming van de mantel onder de korst veroorzaakt platentektoniek, de beweging van de grote platen gesteente aan het oppervlak van de Aarde. Door botsingen en wrijving ontstaan bergen en vulkanen, die gassen in de atmosfeer beginnen te spuwen.

Hoewel de populatie van kometen en asteroïden die door het binnenste zonnestelsel passeren tegenwoordig schaars is, waren zij overvloediger toen de planeten en de zon nog jong waren. Botsingen van deze ijzige lichamen hebben waarschijnlijk een groot deel van het water op het oppervlak van de aarde afgezet. Omdat de planeet in de Goldilocks-zone ligt, het gebied waar vloeibaar water niet bevriest of verdampt, maar vloeibaar kan blijven, bleef het water aan het oppervlak, wat volgens veel wetenschappers een sleutelrol speelt in de ontwikkeling van leven.

Exoplaneetwaarnemingen lijken kernaccretie te bevestigen als het dominante vormingsproces. Sterren met meer “metalen” – een term die astronomen gebruiken voor andere elementen dan waterstof en helium – in hun kernen hebben meer reuzenplaneten dan hun metaalarme neven. Volgens NASA suggereert kernaccretie dat kleine, rotsachtige werelden vaker zouden moeten voorkomen dan de massievere gasreuzen.

De ontdekking in 2005 van een reuzenplaneet met een massieve kern die rond de zonachtige ster HD 149026 cirkelt, is een voorbeeld van een exoplaneet die heeft geholpen om de zaak voor kernaccretie te versterken.

“Dit is een bevestiging van de kernaccretietheorie voor planeetvorming en bewijst dat dit soort planeten in overvloed zou moeten bestaan,” zei Greg Henry in een persbericht. Henry, een astronoom aan de Tennessee State University, Nashville, detecteerde het dimmen van de ster.

In 2017 is het Europees Ruimteagentschap van plan om de CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) te lanceren, die exoplaneten zal bestuderen variërend in grootte van super-Aardes tot Neptunus. Het bestuderen van deze verre werelden kan helpen bepalen hoe planeten in het zonnestelsel zijn gevormd.

“In het kernaccretiescenario moet de kern van een planeet een kritieke massa bereiken voordat hij in staat is gas op een op hol geslagen manier toe te voegen,” zei het CHEOPS-team.

“Deze kritische massa hangt af van vele fysische variabelen, waarvan de belangrijkste de snelheid van de planetesimalen accretie is.”

Door te bestuderen hoe groeiende planeten materiaal accreteren, zal CHEOPS inzicht verschaffen in hoe werelden groeien.

Het schijfinstabiliteitsmodel

Hoewel het kernaccretiemodel prima werkt voor aardse planeten, zouden gasreuzen snel moeten evolueren om de aanzienlijke massa lichtere gassen die ze bevatten te pakken te krijgen. Maar simulaties zijn er niet in geslaagd om deze snelle vorming te verklaren. Volgens de modellen duurt het proces enkele miljoenen jaren, langer dan de lichte gassen beschikbaar waren in het vroege zonnestelsel. Tegelijkertijd kampt het kernaccretiemodel met een migratieprobleem, omdat de babyplaneten waarschijnlijk in korte tijd in een spiraal naar de zon draaien.

Volgens een relatief nieuwe theorie, schijfinstabiliteit, worden al vroeg in het leven van het zonnestelsel klonten stof en gas aan elkaar gebonden. Na verloop van tijd verdichten deze klonters zich langzaam tot een reuzenplaneet. Deze planeten kunnen zich sneller vormen dan hun rivalen in de kernaccretie, soms in slechts duizend jaar, waardoor ze de snel verdwijnende lichtere gassen kunnen insluiten. Zij bereiken ook snel een baan-stabiliserende massa die hen ervan weerhoudt om dood in de zon te marcheren.

Volgens exoplanetair astronoom Paul Wilson zou, als schijfinstabiliteit de vorming van planeten domineert, dit een groot aantal werelden op grote orden moeten voortbrengen. De vier reuzenplaneten die op aanzienlijke afstanden rond de ster HD 9799 draaien, leveren het waarneembare bewijs voor schijfinstabiliteit. Fomalhaut b, een exoplaneet met een baan van 2000 jaar rond zijn ster, zou ook een voorbeeld kunnen zijn van een wereld die gevormd is door schijfinstabiliteit, hoewel de planeet ook uitgeworpen kan zijn door interacties met zijn buren.

Kiezelaccretie

De grootste uitdaging voor kernaccretie is tijd – het snel genoeg opbouwen van massieve gasreuzen om de lichtere componenten van hun atmosfeer te pakken te krijgen. Recent onderzoek over hoe kleinere objecten ter grootte van een kiezelsteen samensmolten om reuzenplaneten te bouwen, tot 1000 keer sneller dan eerdere studies.

“Dit is het eerste model waarvan we weten dat je begint met een vrij eenvoudige structuur voor de zonnenevel waaruit planeten ontstaan, en eindigt met het reuzenplanetensysteem dat we zien,” vertelde hoofdauteur Harold Levison van de studie, een astronoom aan het Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, Space.com in 2015.

In 2012 stelden onderzoekers Michiel Lambrechts en Anders Johansen van de Lund University in Zweden voor dat kleine kiezelstenen, eenmaal afgeschreven, de sleutel bevatten tot het snel bouwen van reuzenplaneten.

“Zij toonden aan dat de overgebleven kiezelstenen van dit vormingsproces, waarvan eerder werd gedacht dat ze onbelangrijk waren, eigenlijk een enorme oplossing zouden kunnen zijn voor het planeetvormingsprobleem,” zei Levison.

Levison en zijn team bouwden voort op dat onderzoek om nauwkeuriger te modelleren hoe de kleine kiezelstenen planeten zouden kunnen vormen die vandaag de dag in het melkwegstelsel worden gezien. Terwijl in eerdere simulaties zowel grote als middelgrote objecten hun neven ter grootte van een kiezelsteen in een relatief constant tempo verorberden, suggereren de simulaties van Levison dat de grotere objecten zich meer als pestkoppen gedroegen, kiezelstenen van de middelgrote massa’s wegsnoepend om in een veel sneller tempo te groeien.

“De grotere objecten hebben nu de neiging om de kleinere meer te verstrooien dan de kleinere ze terugstrooien, zodat de kleinere uiteindelijk uit de kiezelschijf worden verstrooid,” vertelde co-auteur Katherine Kretke, ook van SwRI, aan Space.com. “De grotere jongen pest in feite de kleinere, zodat ze alle kiezels zelf kunnen opeten, en ze kunnen blijven groeien om de kernen van de reuzenplaneten te vormen.”

Als wetenschappers doorgaan met het bestuderen van planeten binnen het zonnestelsel, evenals rond andere sterren, zullen ze beter begrijpen hoe de aarde en haar broers en zussen zijn gevormd.

Volg Nola Taylor Redd op Twitter @NolaTRedd, Facebook of Google+. Volg ons op @Spacedotcom, Facebook of Google+.