Aan de lopende band worden er planeten bij andere sterren ontdekt. Terwijl het spectrum aan verschillende soorten exoplaneten en planeetsystemen rap groeit proberen wetenschappers uit te vinden wat de regels zijn van planeetvorming.
Een artistieke weergave van een exoplaneet, in dit geval Kepler-22b.
NASA/Ames/JPL-CaltechIn 1995 richtten de Zwitserse astronomen Michel Mayor en Didier Queloz hun telescoop op 51 Pegasi, een zonachtige ster op ongeveer 51 lichtjaar van de aarde. Wat ze zagen is dat het lichtspectrum van de ster steeds langzaam veranderde. Het ene moment leek de ster iets ‘roder’ te zijn dan gemiddeld, twee dagen later was de ster juist wat blauwer geworden. Mayor en Queloz konden dit zogenoemde dopplereffect alleen verklaren als er een ander (onzichtbaar) hemelobject in een baan om Pegasi draaide. Ze schreven acuut een artikel voor het hoog aangeschreven wetenschappelijke tijdschrift Nature en de eerste planeet bij een andere ster dan de zon was ontdekt.
De teller is de afgelopen 20 jaar gestaag doorgelopen en staat inmiddels op zo’n 1000 bevestigde planeten. Daarbij is ook duidelijk geworden dat het aantal soorten planeten veel groter is dan de acht exemplaren die we in ons eigen zonnestelsel terugvinden. Planeten die zo dicht bij hun ster staan dat ze worden verdampt, of planeten die gezien hun dichtheid eigenlijk helemaal van diamant moeten zijn. Niets lijkt te gek. En dat zorgt voor hoofdbrekens bij astronomen, want hoe zijn al die verschillende planeten ontstaan?
Stof voor een zonnestelsel
Over de hoofdlijnen van planeetvorming zijn astronomen het eens. Het begint met grote gas- en stofwolken die zich in sterrenstelsels zoals onze Melkweg ophouden. Die wolken bestaan voornamelijk uit waterstof en helium – in feite overblijfselen van de oerknal – en kunnen zich tot wel een lichtjaar uitstrekken. Ondanks de extreem lage dichtheid van die wolken kan het zo zijn dat de zwaartekracht grip krijgt op deze ijle materie. Bijvoorbeeld door de schokgolf van een dichtbij ontploffende supernova. Zo kan de wolk langzaam ‘onder zijn eigen gewicht’ beginnen in te storten.
Artistieke weergave van de zogenoemde protoplanetaire schijf rond de ster TW Hydrae. Uit deze schijf, die voornamelijk bestaat uit waterstof, zou zich uiteindelijk een planetensysteem kunnen ontwikkelen.
ESA/C. CarreauDe wolk wordt steeds compacter en dan gebeurt er iets merkwaardigs. Want naast het krimpen gaat hij ook steeds sneller om zijn as draaien. Vergelijkbaar met iemand die op een bureaustoel ronddraait en versnelt op het moment dat hij zijn gestrekte armen intrekt. De rotatie zorgt er uiteindelijk voor dat de stofwolk begint af te platten tot een schijf. En terwijl in het midden het overgrote deel van de materie verder instort tot een kersverse ster kunnen in de loop van miljoenen jaren de planeten ‘samenklonteren’ uit het overige stof en gas dat nog in de protoplanetaire schijf aanwezig was.
Krachtenspel
Althans, zo zou het moeten gaan; “maar er zitten een paar flinke gaten in die theorie”, zegt Carsten Dominik van de Universiteit van Amsterdam. Hij is hoogleraar van de afdeling astrofysica en buigt dagelijks zijn hoofd over het ontstaan van planeten. Hij vertelt dat astronomen met computermodellen prima kunnen verklaren hoe minuscule stofdeeltjes uit een protoplanetaire schijf van pakweg een micrometer groot samenklonteren als ze elkaar tegenkomen. De zogenoemde vanderwaalskrachten zijn in dat geval sterk genoeg om ze bij elkaar te houden.
“Dat samenklonteren gaat in theorie ongeveer goed tot deeltjes van ongeveer een centimeter”, zegt hij. “Maar omdat de verhouding tussen het oppervlakte en de inhoud van die deeltjes met de grootte verandert hebben de vanderwaalskrachten steeds minder te zeggen in dat proces. Deeltjes van bijvoorbeeld 10 centimeter groot blijven niet meer aan elkaar plakken of zullen zelfs weer opbreken in kleinere stukken. Je bent dan weer terug bij af.”
Volgens Dominik gaat het pas weer goed vanaf brokstukken met een afmeting van ongeveer een kilometer en groter. Dan speelt de zwaartekracht een steeds grotere rol en helpt deze een handje om nóg grotere brokstukken te maken.
Duidelijk is dat de theoretici hier met een probleem zitten, en men probeert daar oplossingen voor te bedenken. Dominik: “Er zijn astronomen die vermoedden dat er in de planetenstelsels in wording mechanismen zijn die ervoor zorgen dat stukken van pakweg een centimeter groot op één plek worden verzameld. Zo zou daar onder invloed van de zwaartekracht in een keer wel een veel groter brokstuk gevormd kunnen, misschien wel ter grote van dwergplaneet Ceres. Maar of deze ‘grootte-sprongen’ plaatsvinden in het ontstaan van planeten is niet bekend.”
Ook is er een probleem met het ontstaan van planeten in de buitenste regionen van het zonnestelsel, in ons eigen zonnestelsel vergelijkbaar met de gasreuzen Uranus en Neptunus. Door de gemiddeld lagere dichtheid en lage draaisnelheid van de protoplanetaire schijven aan de buitenkant zullen planeten daar veel langzamer kunnen ontstaan. Dominik: “Het ontstaan van Uranus en Neptunus zou daar veel te lang hebben geduurd, iets in de orde van een miljard jaar. We weten dat dit niet kan kloppen, want na enkele miljoenen jaren heeft een pasgeboren zon zijn gasschijf grotendeels weggeblazen.”
Het ontbrekende tussenstuk
Hoeveel computersimulaties astronomen ook doen, uiteindelijk moeten hun modellen natuurlijk gecontroleerd worden. En daarom wordt er met telescopen ‘gejaagd’ op protoplanetaire schijven, met succes. Rondom veel jonge sterren worden schijven gezien die in feite allemaal zonnestelsels in wording zijn.
Nienke van der Marel is promovendus aan de Sterrenwacht Leiden en heeft zulke schijven onder de loep genomen. “Daarbij komen we eigenlijk verschillende problemen tegen die een goede verklaring voor planeetvorming in de weg staan”, zegt ze. “Een punt is dat juist kleine deeltjes in zo’n schijf de meeste straling afgeven en daardoor het best te zien zijn met telescopen. Dat klinkt raar, maar het heeft te maken met het relatief grote oppervlak dat ze hebben. Hoe fijner de deeltjes, hoe meer oppervlak er in totaal is om straling af te geven. Verder kunnen we met veel moeite grote planeten ontwaren, bijvoorbeeld door de infrarode straling die ze afgeven. Zo ontstaat er de rare situatie waarin astronomen de allerkleinste en de allergrootste objecten kunnen waarnemen. Daartussen is er een heel stuk dat ontbreekt.”
Een van de pakweg tientallen stofschijven rondom andere sterren die wel goed is onderzocht, is die rond de jonge ster Oph-IRS 48. Dit jaar werd zij onder de loep genomen door Van der Marel met de nieuwe radiotelescoop ALMA. Tot haar verrassing zag ze geen volmaakte schijf maar een – zoals ze het zelf beschrijft – cashewnoot-achtige structuur. Uit het soort straling dat van deze schijf afkomt kon ze afleiden dat er zich hier aan een kant van de schijf grote hoeveelheden millimeter-grootte stofdeeltjes ophouden.
Precies zo’n zogenoemde stofval werd in de jaren ’90 door theoretici voorgesteld als een oplossing voor het ‘groeiprobleem’ van stofdeeltjes tot planeten. Astronomen denken dat een hogedrukgebied in de schijf ervoor zorgt dat zich hier de grootste deeltjes verzamelen. Doordat de relatieve snelheid van die deeltjes in zo’n stofval bovendien wat kleiner is zouden ze hier makkelijker kunnen samenklonteren tot grotere hemellichamen. Gezien de afstand van deze stofval tot de ster zal er zich hier hoogstwaarschijnlijk geen planeet meer vormen, maar groeien de deeltjes uit tot kometen.
De stofval van Van der Marel in groen.
Spel van de planeten
Ok, astronomen willen dus graag ontdekken hoe planeten ontstaan, maar is het dan niet het meest logisch om naar het planetenstelsel te kijken waar we zelf in wonen? De belangrijkste hemellichamen in ons zonnestelsel zijn zelfs met het blote oog te zien. Dominik laat weten dat de wetenschap inmiddels redelijk grip lijkt te hebben op het ontstaan van ons eigen zonnestelsel. “We kunnen computermodellen maken waarmee we een digitaal zonnestelsel laten ontstaat dat er bijna precies hetzelfde uitziet als dat van ons. De begincondities uit het computermodel kunnen dan ook iets zeggen over ons vroege zonnestelsel.”
Een greep uit de tot nu toe ontdekte exoplaneten. Het gaat om impressies.
Martin Vargic met toestemming“Bij planetenstelsels bij andere sterren is dat een heel ander verhaal. Daar hebben we vaak nog helemaal geen goede verklaring voor. Het punt is natuurlijk ook dat we eigenlijk niet willen begrijpen hoe een bepaald zonnestelsel is ontstaan. We willen juist weten hoe planeetvorming in het algemeen werkt, ook in al die verschillende planetenstelsels die we nu nog dagelijks ontdekken. We hebben op dat gebied nog veel open vragen en zouden maar al te graag de regels van het planetenspel begrijpen.”