Afbeelding tegoed: NASA
Als buitenaardse astronomen rond een verre ster de jonge zon vier en een half miljard jaar geleden hadden bestudeerd, hadden ze dan tekenen kunnen zien van een nieuw gevormde aarde die om deze onschadelijke gele ster draait? Het antwoord is ja, volgens Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) en Benjamin Bromley (University of Utah). Bovendien zegt hun computermodel dat we dezelfde tekens kunnen gebruiken om plaatsen te lokaliseren waar planeten ter grootte van de aarde momenteel jonge werelden vormen die op een dag hun eigen leven kunnen huisvesten.
De sleutel tot het lokaliseren van pasgeboren aardes, zeggen Kenyon en Bromley, is om niet naar de planeet zelf te zoeken, maar naar een ring van stof die om de ster draait, wat een vingerafdruk is van de aardse (rotsachtige) planeetvorming.
"De kans is groot dat als er een ring van stof is, er een planeet is", zegt Kenyon.
Goede planeten zijn moeilijk te vinden
Ons zonnestelsel is gevormd uit een wervelende schijf van gas en stof, een protoplanetaire schijf genoemd, die in een baan om de jonge zon draait. Dezelfde materialen worden overal in ons sterrenstelsel gevonden, dus de natuurwetten voorspellen dat andere sterrenstelsels op een vergelijkbare manier planeten zullen vormen.
Hoewel planeten vaak voorkomen, zijn ze moeilijk te detecteren omdat ze te zwak zijn en te dicht bij een veel helderdere ster staan. Astronomen zoeken daarom naar planeten door te zoeken naar indirect bewijs van hun bestaan. In jonge planetaire systemen kan dat bewijs aanwezig zijn in de schijf zelf, en in hoe de planeet de stoffige schijf beïnvloedt waaruit hij zich vormt.
Grote planeten ter grootte van Jupiter hebben een sterke zwaartekracht. Die zwaartekracht heeft een grote invloed op de stoffige schijf. Een enkele Jupiter kan een ringvormige opening in de schijf vrijmaken, de schijf vervormen of geconcentreerde stofdeeltjes creëren die een patroon in de schijf achterlaten als een kielzog van een boot. De aanwezigheid van een gigantische planeet kan het wake-achtige patroon verklaren dat te zien is in de schijf rond de 350 miljoen jaar oude ster Vega.
Kleine werelden ter wereld hebben daarentegen een zwakkere zwaartekracht. Ze beïnvloeden de schijf zwakker en laten subtielere tekenen van hun aanwezigheid achter. In plaats van te zoeken naar warps of wakes, raden Kenyon en Bromley aan om te kijken hoe helder het zonnestelsel is met infrarode (IR) golflengten van licht. (Infrarood licht, dat we als warmte waarnemen, is licht met langere golflengten en minder energie dan zichtbaar licht.)
Sterren met stoffige schijven zijn helderder in de IR dan sterren zonder schijven. Hoe meer stof een sterrensysteem vasthoudt, hoe helderder het is in de IR. Kenyon en Bromley hebben aangetoond dat astronomen IR-helderheid niet alleen kunnen gebruiken om een schijf te detecteren, maar ook om te zien wanneer zich binnen die schijf een planeet ter grootte van een aarde vormt.
"We waren de eersten die de verwachte niveaus van stofproductie en de bijbehorende infraroodoverschotten berekenden, en de eerste die aantoonden dat de vorming van terrestrische planeten waarneembare hoeveelheden stof produceert", zegt Bromley.
Planeten vanaf de grond opbouwen
De meest voorkomende theorie van planeetvorming vraagt om het bouwen van planeten 'van de grond af'. Volgens de coagulatietheorie botsen kleine stukjes rotsachtig materiaal in een protoplanetaire schijf en blijven aan elkaar plakken. In de loop van duizenden jaren groeien kleine bosjes uit tot grotere en grotere bosjes, zoals het bouwen van een sneeuwpop, een handvol sneeuw tegelijk. Uiteindelijk worden de rotsblokken zo groot dat ze volwaardige planeten worden.
Kenyon en Bromley modelleren het proces van planeetvorming met behulp van een complex computerprogramma. Ze 'zaaien' een protoplanetaire schijf met een miljard planetesimalen van 1 kilometer lang, allemaal in een baan rond een centrale ster, en stappen het systeem vooruit in de tijd om te zien hoe planeten evolueren uit die basisingrediënten.
"We hebben de simulatie zo realistisch mogelijk gemaakt en de berekeningen nog steeds binnen een redelijke tijd voltooid", zegt Bromley.
Ze vonden het proces van planeetvorming opmerkelijk efficiënt. Aanvankelijk vinden botsingen tussen planetesimalen plaats bij lage snelheden, dus botsende objecten hebben de neiging samen te smelten en te groeien. Op een typische afstand tussen aarde en zon duurt het slechts 1000 jaar voordat objecten van 1 kilometer uitgroeien tot objecten van 100 kilometer (60 mijl). Nog eens 10.000 jaar produceren protoplaneten met een diameter van 600 mijl, die in nog eens 10.000 jaar groeien tot protoplaneten met een diameter van 1200 mijl. Daarom kunnen objecten ter grootte van een maan in slechts 20.000 jaar worden gevormd.
Naarmate planetesimalen binnen de schijf groter en massiever worden, wordt hun zwaartekracht sterker. Zodra een paar objecten een grootte van 600 mijl hebben bereikt, beginnen ze de resterende kleinere objecten te 'roeren'. Zwaartekracht katapulten de kleinere, asteroïde brokken steen naar hogere en hogere snelheden. Ze reizen zo snel dat wanneer ze botsen, ze niet samensmelten - ze verpulveren en verpletteren elkaar met geweld. Terwijl de grootste protoplaneten blijven groeien, vermalen de rest van de rotsachtige planetesimalen elkaar tot stof.
'Het stof vormt zich precies daar waar de planeet zich vormt, op dezelfde afstand van zijn ster', zegt Kenyon. Als resultaat geeft de temperatuur van het stof aan waar de planeet zich vormt. Stof in een Venus-achtige baan zal heter zijn dan stof in een Aarde-achtige baan, wat een aanwijzing geeft voor de afstand van de kleine planeet tot zijn ster.
De grootte van de grootste objecten op de schijf bepaalt de stofproductiesnelheid. De hoeveelheid stof piekt wanneer protoplaneten van 600 mijl zijn gevormd.
'De Spitzer-ruimtetelescoop zou dergelijke stofpieken moeten kunnen detecteren', zegt Bromley.
Momenteel bestrijkt het model van de terrestrische planeet van Kenyon en Bromley slechts een fractie van het zonnestelsel, van de baan van Venus tot een afstand ongeveer halverwege tussen de aarde en Mars. In de toekomst zijn ze van plan het model uit te breiden tot banen die zo dicht bij de zon liggen als Mercurius en zo ver als Mars.
Ze hebben ook de vorming van de Kuipergordel gemodelleerd - een gebied met kleine, ijzige en rotsachtige objecten buiten de baan van Neptunus. De volgende logische stap is om de vorming van gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus te modelleren.
"We beginnen aan de randen van het zonnestelsel en werken naar binnen", zegt Kenyon met een grijns. "We werken ook massaal uit. De aarde is 1000 keer zo zwaar als een Kuipergordel-object en Jupiter is 1000 keer zo zwaar als de aarde. '
"Ons uiteindelijke doel is om de vorming van ons hele zonnestelsel te modelleren en te begrijpen." Kenyon schat dat hun doel binnen een decennium haalbaar is, aangezien de computersnelheid blijft toenemen, waardoor de simulatie van een heel zonnestelsel mogelijk wordt.
Dit onderzoek is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters van 20 februari 2004. Aanvullende informatie en animaties zijn online beschikbaar op http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, met hoofdkantoor in Cambridge, Massachusetts, is een gezamenlijke samenwerking tussen het Smithsonian Astrophysical Observatory en het Harvard College Observatory. CfA-wetenschappers, georganiseerd in zes onderzoeksdivisies, bestuderen de oorsprong, evolutie en het uiteindelijke lot van het universum.
Oorspronkelijke bron: CfA News Release
