Sinds Copernicus hebben wetenschappers de aarde langzaam weggehaald van het vooraf bepaalde 'centrum van het universum'. Wetenschappers geven nu toe dat de zon een gewone ster is, niet te heet, niet te koud, niet te helder, niet te zwak, op een willekeurige plaats in een gewoon spiraalstelsel. Dus toen de Kepler-telescoop in 2009 zijn jacht op planeten begon, verwachtten wetenschappers planetenstelsels te vinden die op ons zonnestelsel zouden lijken.
In plaats daarvan ontdekte Kepler de soorten planeten die ontbraken in ons zonnestelsel. Het bleek dat er veel meer exoplaneten zijn dan we dachten: van "hete Jupiters" (planeten ter grootte van Jupiter) tot "superaarde" (massieve vaste planeten die groter zijn dan de onze). Van de 1.019 bevestigde planeten en 4.178 kandidaten die tot nu toe zijn ontdekt, lijkt slechts één systeem op het onze: met terrestrische planeten bij de ster en met reuzenplaneten iets verder weg.
"We hebben geen idee waarom ons zonnestelsel anders is, en we zouden graag een antwoord willen krijgen", vertelde planetair wetenschapper Kevin Walsh van het Southwest Research Institute in Colorado aan het tijdschrift Astrobiology.
In een poging de zon en zijn planeten te vergelijken met de pas ontdekte sterrenstelsels die door Kepler waren ontdekt, suggereerden een paar astronomen dat ons zonnestelsel als jonge man misschien wel vier planeten bevatte die dichter bij de zon cirkelden dan Venus, en dat na een reeks catastrofale botsingen alleen Mercurius het overleefde. …
"Een van de problemen in ons zonnestelsel is dat Mercurius volgens de normen van Kepler te ver van de zon verwijderd is", zei planeetwetenschapper Katrin Volk van de University of British Columbia.
Wolf en haar collega Brett Gladman van dezelfde universiteit suggereerden dat aan het begin van het leven de meeste sterren omgeven zijn door "systemen van dicht opeengepakte binnenplaneten" (STIP). Na verloop van tijd vernietigen botsingen veel van deze planeten, waardoor ze bijna 5-10% van de sterren die tegenwoordig worden waargenomen, achterblijven.
Maar hoewel slechts enkele van de waargenomen systemen STIP's bevatten, gelooft Wolf dat ze ooit de overhand hebben gehad - en de zon zou zo'n systeem kunnen zijn, waarvan de oorspronkelijke binnenplaneten werden vernietigd.
"Als de STIP zich gemakkelijk vormt, zou het mogelijk zijn om ze rond alle sterren te vinden, waarna 90% ervan werd vernietigd", zegt Wolf.
Promotie video:
Walsh was niet betrokken bij deze studie, maar verwelkomt het werk van Wolf om het zonnestelsel te matchen met andere planetaire systemen door het gebruik van modellen om te zoeken naar onzichtbare planeten die mogelijk in het verleden zijn geweest.
“We kunnen zeggen dat we er nog nooit over hebben nagedacht. We hebben altijd geprobeerd om de planeten die we zagen te matchen, maar niet degene die we niet zagen. Nu zien we het rond andere sterren, dus het is een goede vraag."
Wolf en Gladman realiseerden zich dat een klein aantal STIP's licht zou kunnen werpen op waarom ons zonnestelsel zo anders is. Een paar wetenschappers namen 13 door Kepler waargenomen systemen die meer dan vier binnenplaneten bevatten, en voerden er een 10 miljoen jaar durende simulatie van uit. Tien keer ondergingen de kleine planeten gewelddadige botsingen die de structuur van het planetenstelsel veranderden. Volgens wetenschappers zullen de overblijfselen waarschijnlijk meer dan 10 miljoen jaar stabiel blijven.
Het team voerde vervolgens nog een reeks simulaties uit over een lange periode om te begrijpen hoe systemen evolueerden naarmate ze stabieler werden, en om erachter te komen hoe botsingen in de loop van de tijd werden verdeeld. Ze ontdekten dat de helft van de systemen in botsing was gekomen, maar van tevoren geen tekenen van een ramp vertoonden. Botsingssystemen bleven bijna hun hele leven stabiel voordat de planeten met elkaar in botsing kwamen.
Modellering toonde aan dat na 5 miljoen jaar ongeveer 5-10% van de STIP's in de steekproef nog steeds geen stabiliteit bereikte. Aangezien STIP's alleen werden gezien in 5-10% van de planetaire systemen die door Kepler werden waargenomen, zou dit kunnen betekenen dat ze allemaal met STIP zijn geboren, maar 90% van de STIP's waren vernietigd op het moment van Kepler's waarnemingen.
"Als elke ster ooit een STIP-systeem had gehad, zou dat betekenen dat wij (de modeontwerpers) het gewoon niet haalden tegen de tijd dat de planeten bestonden," zegt Walsh. - We hebben altijd geprobeerd modellen te bouwen om onze vier solide planeten te krijgen, waarbij we de mogelijkheid negeerden dat drie tot vijf planeten nog meer aarde zouden vormen in de baan van Mercurius. Het zou fantastisch zijn!".
Als alles zo was, zou de aarde niet langer een vreemde uitzondering zijn op de regels voor planeetvorming, zoals blijkt uit willekeurige waarnemingen. In plaats daarvan zou het perfect passen en zou er geen speciale verklaring voor zijn bestaan nodig hebben. Als het zonnestelsel - en daarom de aarde, zeldzaam is, zou dit de prevalentie van leven in het universum kunnen beïnvloeden; maar als het de gebruikelijke processen van de vorming van planetenstelsels volgt, dan zal er niets zo ongewoons aan zijn.
Kwik is lange tijd een probleem geweest voor planetaire wetenschappers. Mercurius bevindt zich niet alleen verder van de zon dan de meeste planeten die Kepler heeft gezien, maar is ook dicht opeengepakt met zware elementen. Een hypothese met betrekking tot de vreemde samenstelling ervan omvat een botsing die een lichte korst van de planeet wegvaagde en een dichte laag ijzer achterliet.
Tegelijkertijd leverden modellen van het zonnestelsel te veel materiaal terug om alleen Mercurius te verklaren. Om een planeet in een baan om Mercurius te vormen, hebben simulaties een ongebruikelijke opening nodig - een kunstmatige grens - in het stof rond de jonge zon die zich bijna halverwege de huidige baan van de aarde zou uitstrekken. Als de opening helemaal tot aan de ster reikte, zoals de meeste wetenschappers denken, moet deze schijf te veel materiaal bevatten.
Als de meeste planetenstelsels STIP's bevatten toen ze zich vormden, had het jonge zonnestelsel er misschien ook een gehad. Volgens Wolf zou een dergelijk scenario de noodzaak van een kunstmatige opening naar de binnenschijf overbodig maken en een ijzerrijke planeet verklaren. De botsingen zouden ook de dichte samenstelling van Mercurius mogelijk maken.
Om deze mogelijkheid te testen, voerden Wolf en Gladman simulaties uit waarbij vier planeten werden toegevoegd met massa's van de maan en banen op minder dan de helft van de afstand van de aarde tot de zon. Deze planeten zouden de vorming van Venus, de aarde en Mars gedurende 500 miljoen jaar niet hebben beïnvloed, ondanks de botsingen die plaatsvonden tussen hun solide buren. Kepler kwam tot dit scenario tijdens de eerste simulaties.
"Het is niet ongewoon om een paar onstabiele planeten te hebben en de anderen voelen niets", zegt Wolf.
Toen de kleine binnenplaneten met elkaar in botsing kwamen, ontmoetten ze een van de twee bestemmingen. In sommige gevallen werd de massa van de botsende planeten eruit geschoten, maar vervolgens geconsolideerd tot verschillende lichamen. In andere, meer destructieve scenario's bleef minder dan 10% van de oorspronkelijke massa over, en de rest explodeerde in kleine stukjes, spiraalsgewijs naar een ster of andere planeten. Het verschil hangt vaak af van hoe snel de planeten bewegen en met elkaar botsen; net als bij een auto-ongeluk leidt hoge snelheid tot grote vernietiging.
Hoewel Kepler's andere waarnemingen van STIP-systemen aantoonden dat drie of meer grote lichamen werden geconsolideerd tot een of twee planeten met een korte periode, is ons zonnestelsel blijkbaar tot het einde toe verwoest. We hebben nog maar één overlevende.
