Wetenschappers blijven het zonnestelsel bestuderen en het ziet er erg interessant uit. Moderne planetaire banen bevatten bijvoorbeeld aanwijzingen die de barre omstandigheden onthullen van de oorsprong van het zonnestelsel - en mogelijk het bestaan van een interstellaire reus die lang geleden op een dwaalspoor is geraakt. Ons zonnestelsel is als een plaats delict die 4,6 miljard jaar geleden plaatsvond.
Moderne banen zijn beladen met aanwijzingen die de barre omstandigheden van de oorsprong van het zonnestelsel onthullen - en mogelijk het bestaan van een interstellaire reus die lang geleden op een dwaalspoor is geraakt.
Ons zonnestelsel is als een plaats delict die 4,6 miljard jaar geleden plaatsvond.
Oppervlakken bezaaid met kraters, verplaatste planetaire banen en wolken van interplanetair puin zijn kosmische analogen van bloedspatten op de muur en remsporen van een auto die een achtervolging verlaat. Deze en andere aanwijzingen vertellen over de chaotische oorsprong van onze planetaire familie.
Op de loer tussen deze voetafdrukken zijn aanwijzingen over een verloren broer of zus, planeet 9 (nee, niet Pluto), weggegooid in het zwaartekracht touwtrekken dat gepaard ging met de oorspronkelijke vorming van het zonnestelsel.
Tegenwoordig domineren vier enorme planeten de periferie van het zonnestelsel: Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Achter hen is de Kuipergordel - een veld met ijsscherven, waaronder Pluto te vinden is.
"Denk niet dat de periferie van het zonnestelsel altijd hetzelfde is geweest als nu", zegt David Nesvorny, planetair wetenschapper aan het Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, die zich in 2011 voor het eerst uitsprak voor het bestaan van een voortvluchtige planeet. jaar.
Nesvorni maakt deel uit van een groep wetenschappers die proberen te achterhalen hoe het zonnestelsel zich in de eerste paar honderd miljoen jaar van zijn bestaan heeft ontwikkeld. Met behulp van geavanceerde computermodellen stelden de onderzoekers een chronologie samen van botsingen tussen pasgeboren planeten die relatief dicht bij elkaar ontstonden - ze gleden afwisselend en sprongen van de ene baan naar de andere. Deze modellen hebben veel kleine details onthuld over hoe planeten, asteroïden en kometen tegenwoordig rond de zon draaien.
Promotie video:
Er was maar één probleem. Doorgaans eindigden gesimuleerde scenario's met het verdrijven van Uranus of Neptunus uit het zonnestelsel, zoals Nesvorny in september schreef in de Annual Review of Astronomy and Astrophysics.
Omdat Uranus en Neptunus in werkelijkheid op hun plaats blijven - ruimtevaartuigen hebben ze allebei bezocht - is iets in deze scenario's niet gelukt. Maar, zoals veel onderzoekers vermoeden, is een hoofdrolspeler in dit mysterie en een ontbrekende schakel in de geschiedenis van het zonnestelsel wellicht de vijfde reuzenplaneet.
Verloren planeet
Astronomen vertrouwen op computermodellen om deze oeroude scènes na te bootsen en duizenden verschillende zonnestelsels op duizenden verschillende manieren te creëren. Ze vertalen de wetten van de fysica en welke initiële planetaire posities ze ook maar kunnen bedenken in programmacode. De onderzoeker stelt de parameters in - één planeet hier, een stel asteroïden daar - en leunt dan achterover in zijn stoel en laat de gesimuleerde omgeving al het werk voor hem doen. Na een paar weken in realtime - miljoenen jaren in het model - controleert de astronoom de resultaten om te zien wat er met het zonnestelsel is gebeurd. Hoe dichter het bij de realiteit staat, hoe succesvoller het model is.
Dit is wat Nesvorni deed in 2009. Hij dook in virtuele zonnestelsels in een poging virtuele Uranus en virtuele Neptunus te redden van hun virtuele paden in de verre ruimte.
Het probleem was Jupiter, een gigantische hooligan-planeet waarvan de zwaartekracht ver genoeg kan reiken om door kleinere planeten en verschillende brokstukken te worden voortgeduwd. In de meest succesvolle simulatie tot nu toe kaatsten Jupiter en een van de twee buitenplaneten op elkaar af en vestigden zich uiteindelijk in hun huidige banen. Maar dit gebeurde slechts bij één procent van alle modellen. In de overige 99% van de gevallen gooide Jupiter Uranus of Neptunus zo hard dat ze het zonnestelsel verlieten en er nooit meer naar terugkeerden.
"Dit maakte de situatie erg mysterieus, aangezien we wisten dat Uranus en Neptunus in hun huidige vorm bleven bestaan", zegt Nesvorni. Dus bleef hij experimenteren. Na een jaar talloze verschillende scenario's te hebben gesimuleerd, begon hij na te denken over het toevoegen van martelaarplaneten - extra planeten die werden opgeofferd om de rest te redden.
"Ik simuleerde gewoon hun bestaan om te zien wat er gebeurde, en niet omdat ik het idee zelf serieus nam", zegt Nesvorni. 'Maar toen besefte ik dat er een redelijk graan in kon zitten.' Hij voerde ongeveer 10.000 scenario's uit en veranderde het aantal extra planeten, hun oorspronkelijke locatie en de massa van elk van hen.
De beste optie, die het meest nauwkeurig de huidige toestand van ons zonnestelsel voorspelde, bleek er een te zijn waarin de extra planeet zich tussen de oorspronkelijke banen van Saturnus en Uranus bevond. In termen van massa was de planeet ongeveer gelijk aan Uranus en Neptunus, en bijna 16 keer groter dan de aarde. Het is zo'n planeet die in botsing kan komen met de baan van Jupiter en uit het zonnestelsel kan vliegen.
De grafiek laat zien hoe de afstand tussen de planeten en de zon in de loop van de tijd is veranderd. De eerste paar miljoen jaar in het computermodel veranderden de banen langzaam, daarna was er een nauw contact tussen Saturnus (groen) en een extra planeet (paars), wat leidde tot de destabilisatie van de banen. Stippellijnen geven de huidige afmetingen van de banen aan. (Bron: ontleend aan materiaal van D. Nesvorny / sectie astronomie en astrofysica van het tijdschrift Knowable, 2018.)
De kans is nog steeds klein. In volgende modellen eindigde deze afstemming in ongeveer vijf procent van de tijd met succes. "Het bestaan van het zonnestelsel in zijn huidige vorm is niet typisch noch voorspelbaar", merkte Nesvorny in 2012 op in een paper die hij samen met zijn collega Alessandro Morbidelli van het Observatorium van de Franse Rivièra schreef. Desondanks was het model een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het slagingspercentage van 1% voor die modellen die alleen de vier gigantische planeten omvatten die we vandaag kennen en waar we van houden.
"Ervan uitgaande dat een vijfde planeet het veel gemakkelijker maakt om uit te leggen wat er gebeurt", zegt Sean Raymond, planetair wetenschapper aan de Universiteit van Bordeaux in Frankrijk. En hoewel het bewijs meestal indirect is, 'is het veel logischer om aan te nemen dat er toen ook een vijfde planeet was'.
Dit lijkt misschien een zeer controversiële veronderstelling. Hoe kunnen astronomen iets weten over wat er vier miljard jaar geleden is gebeurd, zelfs met de planeten die we nu kunnen waarnemen, laat staan die waarvan we niets weten? Het blijkt echter dat de planeten veel oorlogslittekens van de jeugd hebben achtergelaten als bewijs voor detectives van de toekomst.
Interplanetaire bloedspatten
"We zijn er meer dan zeker van dat de planeten niet zijn ontstaan waar ze nu zijn", zegt Nathan Keib, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Oklahoma in Norman.
Dit besef gebeurde echter vrij recent. Het grootste deel van de geschiedenis twijfelden astrologen er niet aan dat de planeten zich altijd in hun huidige banen bevonden. Maar begin jaren negentig realiseerden onderzoekers zich dat er iets ontbrak in een dergelijk model.
Neptunus en Triton.
Net buiten de baan van Neptunus ligt de Kuipergordel, een verstrooiing van ijsresten die de zon omcirkelen. "Dit is onze bloedspatten op de muur", zegt Konstantin Batygin, een planetaire wetenschapper aan het California Institute of Technology.
De locatie van objecten uit de Kuipergordel leidde onderzoekers tot de onvermijdelijke conclusie: Neptunus had zich veel dichter bij de zon moeten hebben gevormd dan de huidige locatie suggereert. Veel objecten in de Kuipergordel klonteren samen in concentrische banen die vaag lijken op groeven op een muziekplaat. Deze banen zijn nauwelijks willekeurig - ze zijn direct gerelateerd aan Neptunus.
Pluto is bijvoorbeeld de bekendste bewoner van de Kuipergordel. Hij en een paar honderd van zijn bij ons bekende medereizigers maken precies twee omwentelingen rond de zon in de drie die Neptunus in dezelfde periode maakt. Andere stromen puin in de gordel maken een volledige omwenteling voor elke twee die Neptunus voltooit - of liever, vier voor elke zeven.
De Kuipergordel kon op deze manier niet gemaakt worden zonder invloed van buitenaf. Als we echter aannemen dat Neptunus dichter bij de zon kwam en vervolgens naar buiten bewoog, zou zijn zwaartekracht sterk genoeg zijn om interplanetair puin in zijn netten op te vangen en in deze ongebruikelijke banen te sturen.
Dit model laat zien hoe de dichte opstelling van de buitenplaneten (afbeelding links) in de loop van de tijd kan veranderen. De banen van Jupiter en Saturnus komen samen (afbeelding in het midden), wat leidt tot een verandering in alle andere banen. Specifiek in dit model worden Uranus en Neptunus verwisseld. Enige tijd later (afbeelding rechts) is ruimtepuin verspreid - een deel ervan nestelt zich in de Kuipergordel, terwijl de planeten naar hun huidige banen beginnen te bewegen. (Bron: aangepast van Astromark / Wikimedia Commons.)
Dit viel samen met de voorspellingen van sommige modellen die een decennium eerder waren verkregen.
De formatie van de planeten heeft een puinhoop achtergelaten die door het zonnestelsel is verspreid. Alle fragmenten die te dicht bij Neptunus kwamen, zouden onvermijdelijk onder invloed van de zwaartekracht vallen. Omdat elke actie wordt gevolgd door een even sterke oppositie, bewoog hij elke keer dat Neptunus de scherf duwde, zelf in de tegenovergestelde richting. Langzaam maar zeker kroop Neptunus weg van de zon.
Het migratieproces van Neptunus is ook van toepassing op andere reuzenplaneten. Per slot van rekening baanden Jupiter, Saturnus en Uranus zich een weg door hetzelfde puinveld en hadden ze te maken met vergelijkbare zwaartekrachtsinteracties. En als Neptunus naar een nieuwe plek verhuisde, had hetzelfde moeten gebeuren met alle andere reuzenplaneten.
En dit proces verliep duidelijk niet soepel.
Voortdurende botsingen met al dit puin zouden de banen van de reuzenplaneten in perfecte, slanke cirkels hebben moeten veranderen - net zoals klei op een pottenbakkersschijf wordt gladgestreken door de stevige hand van een pottenbakker. De banen bleken echter heel anders te zijn. In plaats daarvan bewegen de reuzenplaneten zich in ietwat langwerpige en vervormde banen. Alsof iemand een wiel raakt, de eens ronde potten opnieuw vormgeven.
Jupiter springt
In 2005 hadden onderzoekers de schuldige geïdentificeerd. De nieuwe modellen suggereerden dat de gigantische planeten op een gegeven moment door wat wetenschappers "dynamische instabiliteit" noemen, hebben doorgemaakt. Met andere woorden, gedurende ongeveer een miljoen jaar veranderde alles in een gekke wervelwind. De meest waarschijnlijke reden hiervoor leek een reeks botsingen te zijn tussen Saturnus en Uranus, of Neptunus - dat wil zeggen, een van de ijsreuzen - die een van hen rechtstreeks naar Jupiter stuurden. Zodra de verloren planeet naderde, trok zijn zwaartekracht Jupiter, vertraagde hem en duwde hem in een smallere baan. Jupiter trok de binnenvallende planeet echter met niet minder kracht terug. De ijsreus, die veel lichter was, versnelde veel meer dan Jupiter vertraagde en wegging van de zon.
Zo'n incident zou een zwaartekrachtpogrom voor het zonnestelsel zijn. Jupiter sprong dieper naar binnen, terwijl de rest van de buitenplaneten naar buiten sprongen. Zo'n duw zou de banen van de reuzenplaneten in hun huidige staat buigen. Bovendien zou het het binnenste zonnestelsel - Mercurius, Venus, Aarde, Mars en de asteroïdengordel - redden van de zwaartekracht van zowel Jupiter als Saturnus, wat een ander probleem was in de vroegste modellen.
Dat brengt ons bij de verwijdering van Uranus of Neptunus uit het systeem. In deze fase van de simulatie gooit Jupiter het vaakst een van de ijsreuzen weg.
Dit is precies het probleem dat Nesvorny probeerde op te lossen zonder al het andere in de simulaties die werkten te breken. De extra ijsreus krijgt de dupe van de klap van Jupiter, waardoor de rest van het scenario zich ongehinderd kan ontvouwen.
"Dit is heel aannemelijk", zegt Batygin. "Het is helemaal geen feit dat er altijd precies twee ijsreuzen zijn geweest in plaats van drie." Integendeel, zegt hij, sommige berekeningen laten het oorspronkelijke bestaan toe van maximaal vijf Neptunus-achtige planeten.
Batygin en zijn collega's hebben deze kwestie parallel met Nesvorni onderzocht, zij het om verschillende redenen. "Ik wilde aantonen dat er geen extra reuzenplaneet kon zijn", zegt Nesvorni.
De grote rode vlek van Jupiter. Foto gemaakt door Voyager 1.
Hij redeneerde dat deze vermeende planeet op zijn weg uit het zonnestelsel hier en daar een spoor moet hebben achtergelaten in de Kuipergordel, in een gebied dat bekend staat als de 'koude klassieke gordel'. Als de Kuipergordel een donut was, vervolgt Batygin, zou de koude klassieke gordel zijn chocoladevulling worden - een cluster van objecten waarvan de banen zich praktisch in hetzelfde vlak in de Kuipergordel bevinden. Een voorbijrijdende planeet had deze banen moeten verstoren - tenminste, zo dachten Batygin en zijn collega's.
Hun computermodellen lieten zien dat zoiets niet was gebeurd. Tot hun verbazing zou de verbannen planeet de koude klassieke gordel op zijn weg naar buiten niet hebben vernietigd. Dit bewijst niet het bestaan van de planeet - het verkregen resultaat geeft alleen aan dat het zonnestelsel in zijn huidige vorm zou kunnen bestaan, zowel met als zonder de planeet. Kan deze planeet een duidelijkere voetafdruk hebben achtergelaten? Of zijn er, terugkerend naar de analogie van de plaats delict, sporen van slippen? Nesvorni denkt dat dergelijke sporen best kunnen blijven bestaan.
Kern van de waarheid
Er is nog een ander deel van de Kuipergordel - een smalle stroom ijskoud puin, een kern genaamd, waarvan de banen niet overeenkomen met de huidige positie van Neptunus. De oorsprong is een mysterie. In 2015 voerde Nesvorni aan dat de reden voor alles misschien de beweging van Neptunus van de zon zou kunnen zijn, veroorzaakt door een vervlogen planeet.
Terwijl Neptunus in zijn laatste baan bewoog en puin in banen veegde die consistent waren met zijn eigen baan, kon het op een gegeven moment worden blootgesteld dat genoeg van dit puin vrijgaf om zijn eigen stroom te vormen.
Modellen hebben aangetoond dat dezelfde gravitatie-impact die ertoe zou kunnen leiden dat Jupiter van baan naar baan springt en de extra planeet uit het zonnestelsel duwt, op het juiste moment zou kunnen plaatsvinden om ook Neptunus te duwen.
"Het resultaat is zoiets als een pit", zegt Nesvorni. "Dit is indirect bewijs … het is niet doorslaggevend."
In werkelijkheid zullen we nooit zeker weten wat er tijdens de vorming ervan in het zonnestelsel is gebeurd. "We kunnen de Bijbel van het zonnestelsel niet schrijven", zegt Batygin. "We kunnen alleen in zeer algemene termen over deze gebeurtenissen praten."
Als een van de bewoners van het zonnestelsel inderdaad van zijn grenzen wordt verdreven, verkeert hij in goed gezelschap. In de afgelopen jaren hebben astronomen verschillende malafide planeten ontdekt die tussen de sterren zweven, die hoogstwaarschijnlijk ook uit hun huizen werden gegooid. Door de resultaten van deze ontdekking op de rest van de melkweg te projecteren, "zijn er veel meer vrij vliegende planeten ter grootte van Jupiter dan sterren", zegt Nesvorni.
Dit is misschien overdreven - volgens recente schattingen is er slechts één Jupiter-achtige planeet voor elke vier sterren - maar het zijn nog steeds miljarden zwervende werelden. En dit zijn alleen degenen die qua grootte vergelijkbaar zijn met Jupiter. Onze outcast was waarschijnlijk kleiner - ongeveer zo groot als Neptunus; en we hebben geen idee hoeveel van dergelijke lichamen door de melkweg zwerven. Maar we weten dat het heelal de voorkeur geeft aan kleine lichamen dan grote.
"Ik wed dat het er veel zijn", zegt Nesvorni. Astronomen hebben onder andere duizenden sterrenstelsels in de Melkweg ontdekt, en veel daarvan vertonen tekenen van botsingen op een veel grotere schaal dan hierboven besproken. "Het is verbazingwekkend", zegt Nesvorni, "hoe ordelijk het zonnestelsel is gebleven."
Christopher Crockett
