De maan en zijn donkere vlekken. Afbeelding tegoed: NASA. Klik om te vergroten.
Mensen van elke cultuur zijn gefascineerd door de donkere 'vlekken' op de maan, die de figuur lijken te vormen van een konijn, kikkers of het gezicht van een clown. Met de Apollo-missies ontdekten wetenschappers dat deze functies eigenlijk enorme impactbekkens zijn die werden overspoeld met nu gestolde lava. Een verrassing was dat deze bekkens relatief laat in de geschiedenis van het vroege zonnestelsel ontstonden - ongeveer 700 miljoen jaar na de vorming van de aarde en de maan. Veel wetenschappers zijn nu van mening dat deze maaninslagbekkens getuigen van een enorme piek in het bombardement van de planeten - het late zware bombardement (LHB). De oorzaak van zo'n intensief bombardement wordt door velen echter beschouwd als een van de best bewaarde mysteries van de geschiedenis van het zonnestelsel.
In een reeks van drie artikelen gepubliceerd in het nummer van deze week van het tijdschrift Nature, een internationaal team van planetaire wetenschappers, Rodney Gomes (National Observatory of Brazil), Harold Levison (Southwest Research Institute, United States), Alessandro Morbidelli (Observatoire de la C ? te d'Azur, Frankrijk) en Kleomenis Tsiganis (OCA en Universiteit van Thessaloniki, Griekenland) - samengebracht door een bezoekersprogramma georganiseerd door het Observatoire de la C? te d'Azur in Nice - stelden een model voor dat niet alleen op natuurlijke wijze oplost het mysterie van de oorsprong van de LHB, maar verklaart ook veel van de waargenomen kenmerken van het buitenste planetaire systeem.
Dit nieuwe model stelt zich voor dat de vier gigantische planeten, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, gevormd zijn in een zeer compacte orbitale configuratie, die omgeven was door een schijf van kleine objecten gemaakt van ijs en rots (bekend als "planetesimals"). Numerieke simulaties van het team van Nice laten zien dat sommige van deze planetesimalen langzaam uit de schijf lekten vanwege de zwaartekrachteffecten van de planeten. De planeten verspreidden deze kleinere objecten door het zonnestelsel, soms naar buiten en soms naar binnen.
'Zoals Isaac Newton ons leerde, is er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie', zegt Tsiganis. “Als een planeet een planetesimaal uit het zonnestelsel gooit, beweegt de planeet ter compensatie naar de zon toe, een heel klein beetje. Als de planeet daarentegen het planetaire binnenste verstrooit, springt de planeet iets verder van de zon af. '
Numerieke simulaties tonen aan dat Jupiter gemiddeld naar binnen bewoog, terwijl de andere gigantische planeten naar buiten bewogen.
Aanvankelijk was dit een zeer traag proces, waarbij de planeten miljoenen jaren nodig hadden om een klein bedrag te verplaatsen. Vervolgens, volgens dit nieuwe model, veranderde de situatie na 700 miljoen jaar plotseling. Op dat moment migreerde Saturnus door het punt waar de baanperiode precies twee keer zo lang was als die van Jupiter. Deze speciale orbitale configuratie zorgde ervoor dat de banen van Jupiter en Saturnus plotseling elliptischer werden.
"Hierdoor werden de banen van Uranus en Neptunus gek", zegt Gomes. "Hun banen werden erg excentriek en ze begonnen elkaar door zwaartekracht te verstrooien - en Saturnus ook."
Het team van Nice stelt dat deze evolutie van de banen van Uranus en Neptunus de LHB op de maan veroorzaakte. Hun computersimulaties laten zien dat deze planeten zeer snel de planetaire schijf binnendrongen en objecten door het planetaire systeem verspreidden. Veel van deze objecten kwamen het binnenste zonnestelsel binnen waar ze de aarde en de maan met inslagen doorboorden. Bovendien destabiliseerde het hele proces de banen van asteroïden, die dan ook zouden hebben bijgedragen aan de LHB. Ten slotte zorgden de zwaartekrachteffecten van de planetesimale schijf ervoor dat Uranus en Neptunus evolueerden naar hun huidige banen.
'Het is erg overtuigend', zegt Levison. “We hebben tientallen simulaties van dit proces gemaakt, en statistisch gezien zijn de planeten in banen terecht gekomen die erg lijken op de banen die we zien, met de juiste scheidingen, excentriciteiten en neigingen. Dus naast de LHB kunnen we ook de banen van de reuzenplaneten uitleggen. Geen enkel ander model heeft ooit iets bereikt. ”
Er moest echter nog een hindernis worden overwonnen. Het zonnestelsel bevat momenteel een populatie asteroïden die in wezen dezelfde baan volgen als Jupiter, maar die planeet leiden of volgen over een hoekafstand van ongeveer 60 graden. Computersimulaties laten zien dat deze lichamen, bekend als de 'Trojaanse asteroïden', verloren zouden zijn gegaan toen de banen van de gigantische planeten veranderden.
"We zaten maandenlang te piekeren over dit probleem, dat ons model ongeldig leek te maken", zegt Morbidelli, "totdat we ons realiseerden dat als een vogel uit een open kooi kan ontsnappen, er nog een kan komen nestelen."
Het team van Nice ontdekte dat sommige van de objecten die de planetaire evolutie aandreven, en die de LHB veroorzaakten, ook in Trojaanse asteroïdenbanen zouden zijn gevangen. In de simulaties bleken de gevangen Trojaanse paarden de orbitale verdeling van de waargenomen Trojaanse paarden te reproduceren, die tot nu toe onverklaard was. De totale voorspelde massa van de opgesloten objecten was ook consistent met de waargenomen populatie.
In totaal verklaart het nieuwe model van het team van Nice natuurlijk de banen van de gigantische planeten, de Trojaanse asteroïden en de LHB met ongekende nauwkeurigheid. 'Ons model legt zoveel dingen uit waarvan we denken dat het in wezen correct moet zijn', zegt Mordibelli. "De structuur van het buitenste zonnestelsel laat zien dat de planeten waarschijnlijk een behoorlijke schok doormaakten lang nadat het planeetvormingsproces was beëindigd."
Oorspronkelijke bron: SWRI-persbericht
