Bij de kanteling van Uranus draait de planeet in wezen om de zon, de as van zijn draai wijst bijna naar de zon.
(Afbeelding: © NASA en Erich Karkoschka, U. of Arizona)
Hoewel planeten sterren in de melkweg omringen, blijft de manier waarop ze zich vormen een onderwerp van discussie. Ondanks de rijkdom aan werelden in ons eigen zonnestelsel, weten wetenschappers nog steeds niet hoe planeten worden gebouwd. Momenteel zijn er twee theorieën die het uitdragen voor de rol van kampioen.
De eerste en meest geaccepteerde kernaanwas werkt goed met de vorming van de terrestrische planeten, maar heeft problemen met reuzenplaneten zoals Uranus. De tweede, de methode van schijfinstabiliteit, kan verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van gigantische planeten.
"Wat de ijsreuzen onderscheidt van de gasreuzen is hun vormingsgeschiedenis: tijdens de kerngroei overschreed de eerste nooit de [kritische massa] in een volle gasschijf", schreven de onderzoekers Renata Frelikh en Ruth Murray-Clay in een onderzoeksartikel.
Het belangrijkste accretiemodel
Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden was het zonnestelsel een wolk van stof en gas die bekend staat als een zonnevel. De zwaartekracht stortte het materiaal in zichzelf in terwijl het begon te draaien en vormde de zon in het midden van de nevel.
Met de opkomst van de zon begon het resterende materiaal samen te klonteren. Kleine deeltjes trokken samen, gebonden door de zwaartekracht, tot grotere deeltjes. De zonnewind veegde lichtere elementen, zoals waterstof en helium, weg van de dichterbij gelegen gebieden, waardoor alleen zware, rotsachtige materialen achterbleven om aardse werelden te creëren. Maar verder weg hadden de zonnewinden minder invloed op lichtere elementen, waardoor ze konden samensmelten tot gasreuzen zoals Uranus. Op deze manier werden asteroïden, kometen, planeten en manen gemaakt.
In tegenstelling tot de meeste gasreuzen heeft Uranus een kern die eerder rotsachtig dan gasvormig is. De kern is waarschijnlijk eerst gevormd en heeft vervolgens de waterstof, helium en methaan verzameld die de atmosfeer van de planeet vormen. De warmte van de kern drijft de temperatuur en het weer van Uranus aan, waardoor de hitte van de verre zon, die bijna 2 miljard mijl verderop is, wordt overweldigd.
Sommige exoplaneetwaarnemingen lijken de kernacretie te bevestigen als het dominante vormingsproces. Sterren met meer "metalen" - een term die astronomen gebruiken voor andere elementen dan waterstof en helium - in hun kernen hebben meer gigantische planeten dan hun metaalarme neven. Volgens NASA suggereert kernaanwas dat kleine, rotsachtige werelden vaker zouden moeten voorkomen dan de grotere gasreuzen.
De ontdekking in 2005 van een gigantische planeet met een massieve kern die in een baan om de zonachtige ster HD 149026 draait, is een voorbeeld van een exoplaneet die het pleidooi voor kernaanwas heeft versterkt.
'Dit is een bevestiging van de kernaantastingstheorie voor planeetvorming en een bewijs dat dergelijke planeten in overvloed zouden moeten bestaan', zei Greg Henry in een persbericht. Henry, een astronoom aan de Tennessee State University, Nashville, ontdekte het dimmen van de ster.
In 2017 is de European Space Agency van plan om de karakteristieke ExOPlanet Satellite (CHEOPS) te lanceren, die exoplaneten zal bestuderen, variërend in grootte van superaarde tot Neptunus. Het bestuderen van deze verre werelden kan helpen bepalen hoe planeten in het zonnestelsel zijn gevormd.
"In het kernaanwasscenario moet de kern van een planeet een kritische massa bereiken voordat het gas op hol geslagen wijze kan opnemen", aldus het CHEOPS-team. "Deze kritische massa is afhankelijk van vele fysische variabelen, waarvan de belangrijkste de aanwas van planetesimalen is."
Door te bestuderen hoe groeiende planeten materiaal vergaren, zal CHEOPS inzicht geven in hoe werelden groeien.
Het schijfinstabiliteitsmodel
Maar de noodzaak van een snelle vorming van de gigantische gasplaneten is een van de problemen van de aanwas van de kern. Volgens modellen duurt het proces enkele miljoenen jaren, langer dan de lichtgassen beschikbaar waren in het vroege zonnestelsel. Tegelijkertijd wordt het kernaanwasmodel geconfronteerd met een migratieprobleem, omdat de babyplaneten waarschijnlijk in korte tijd in de zon zullen draaien.
"Reuzenplaneten vormen zich in een paar miljoen jaar heel snel", vertelde Kevin Walsh, een onderzoeker aan het Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, aan Space.com. 'Dat schept een tijdslimiet omdat de gasschijf rond de zon maar 4 tot 5 miljoen jaar meegaat.'
Volgens een relatief nieuwe theorie worden schijfinstabiliteit, stofdeeltjes en gas vroeg in de levensduur van het zonnestelsel met elkaar verbonden. Na verloop van tijd verdichten deze klonten langzaam tot een gigantische planeet. Deze planeten kunnen zich sneller vormen dan hun belangrijkste concurrenten in de aanwas, soms in minder dan duizend jaar, waardoor ze de snel verdwijnende lichtere gassen kunnen opvangen. Ze bereiken ook snel een baanstabiliserende massa die hen ervan weerhoudt de dood in de zon te marcheren.
Terwijl wetenschappers planeten in het zonnestelsel en rond andere sterren blijven bestuderen, zullen ze beter begrijpen hoe Uranus en zijn broers en zussen zijn ontstaan.
Kiezelaanwas
De grootste uitdaging voor de aanwas van de kern is tijd - het bouwen van enorme gasreuzen die snel genoeg zijn om de lichtere componenten van hun atmosfeer te grijpen. Recent onderzoek naar hoe kleinere objecten van kiezelformaat samengesmolten zijn om gigantische planeten tot 1000 keer sneller te bouwen dan eerdere studies.
'Dit is het eerste model waarvan we weten dat je begint met een vrij eenvoudige structuur voor de zonnevel, waaruit planeten ontstaan, en eindigt met het gigantische planetenstelsel dat we zien', aldus hoofdauteur Harold Levison, een astronoom aan het Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, vertelde Space.com in 2015.
In 2012 stelden onderzoekers Michiel Lambrechts en Anders Johansen van de Lund Universiteit in Zweden voor dat kleine steentjes, eenmaal afgeschreven, de sleutel waren tot het snel bouwen van gigantische planeten.
'Ze toonden aan dat de overgebleven steentjes van dit vormingsproces, waarvan eerder werd gedacht dat ze onbelangrijk waren, in feite een enorme oplossing zouden kunnen zijn voor het planeetvormende probleem', zei Levison.
Levison en zijn team bouwden voort op dat onderzoek om nauwkeuriger te modelleren hoe de kleine steentjes planeten konden vormen die tegenwoordig in de melkweg te zien zijn. Terwijl eerdere simulaties, zowel grote als middelgrote objecten hun neven en nichten ter grootte van een kiezelsteen met een relatief constante snelheid consumeerden, suggereren de simulaties van Levison dat de grotere objecten zich meer als pestkoppen gedroegen en steentjes van de middelgrote massa's wegrukten om veel sneller te groeien tarief.
"De grotere objecten hebben nu de neiging de kleinere meer te verspreiden dan de kleinere ze terug te strooien, zodat de kleinere uiteindelijk uit de kiezelschijf worden verspreid", vertelde co-auteur Katherine Kretke, ook van SwRI, aan Space.com . 'De grotere jongen pest eigenlijk de kleinere, zodat ze zelf alle steentjes kunnen opeten, en ze kunnen doorgroeien om de kernen van de gigantische planeten te vormen.'
De aangroei van kiezelstenen werkt eerder voor de reuzenplaneten dan voor de terrestrische werelden. Volgens Sean Raymond, van de Franse Universiteit van Bordeaux, komt dat omdat de "kiezels" iets groter zijn en veel gemakkelijker vast te houden voorbij de sneeuwgrens, de denkbeeldige lijn waar gas koud genoeg is om ijs te worden.
"Voor kiezelstenen is het zeker een beetje beter om net voorbij de sneeuwgrens te zijn", vertelde Raymond aan Space.com.
Hoewel de aangroei van kiezelstenen goed werkt voor de gasreuzen, zijn er enkele uitdagingen voor de ijsreuzen. Dat komt omdat de deeltjes van millimeter tot centimeter extreem efficiënt accreteren.
"Ze stapelen zich zo snel op dat het moeilijk is om gigantische ijskernen te vormen op ruwweg hun huidige kernmassa gedurende een aanzienlijk deel van de levensduur van de schijf terwijl ze een gasomhulsel ophogen", schreven Frelikh en Murray-Clay.
'Om te voorkomen dat ze weglopen, moeten ze daarom hun groei voltooien op een bepaald moment, wanneer de gasschijf gedeeltelijk, maar niet helemaal, is uitgeput.'
Het paar stelde voor dat het grootste deel van de gasaanwas op de kernen van Uranus en Neptunus samenviel met hun beweging weg van de zon. Maar waarom zouden ze hun huis in het zonnestelsel kunnen veranderen?
Een mooi model
Oorspronkelijk dachten wetenschappers dat planeten in hetzelfde deel van het zonnestelsel vormden als waarin ze tegenwoordig leven. De ontdekking van exoplaneten zorgde voor opschudding en onthulde dat op zijn minst enkele van de meest massieve objecten konden migreren.
In 2005 stelde een drietal in het tijdschrift Nature gepubliceerde artikelen voor dat Uranus en de andere gigantische planeten in een veel compactere baan waren gebonden, veel compacter dan ze nu zijn. Een grote schijf van rotsen en ijsjes omringde ze en strekte zich uit tot ongeveer 35 keer de afstand van de aarde tot de zon, net voorbij de huidige baan van Neptunus. Ze noemden dit het model van Nice, naar de stad in Frankrijk waar ze het voor het eerst bespraken. (Dat wordt Neese uitgesproken.)
Terwijl de planeten in wisselwerking stonden met de kleinere lichamen, verspreidden ze de meeste naar de zon. Het proces zorgde ervoor dat ze energie met de objecten ruilden, waardoor de Saturnus, Neptunus en Uranus verder het zonnestelsel in gingen. Uiteindelijk bereikten de kleine objecten Jupiter, waardoor ze naar de rand van het zonnestelsel vlogen of er helemaal uit.
Beweging tussen Jupiter en Saturnus dreef Uranus en Neptunus in nog meer excentrieke banen en stuurde het paar door de resterende schijf van ijs. Een deel van het materiaal werd naar binnen geslingerd, waar het tijdens de Late Heavy Bombardment in de aardse planeten neerstortte. Ander materiaal werd naar buiten geslingerd, waardoor de Kuipergordel ontstond.
Terwijl ze langzaam naar buiten trokken, wisselden Neptunus en Uranus van plaats. Uiteindelijk zorgden interacties met het resterende puin ervoor dat het paar zich op meer cirkelvormige paden vestigde naarmate ze hun huidige afstand tot de zon bereikten.
Onderweg is het mogelijk dat een of zelfs twee andere gigantische planeten uit het systeem zijn geschopt. Astronoom David Nesvorny van het Southwest Research Institute in Colorado heeft het vroege zonnestelsel gemodelleerd op zoek naar aanwijzingen die kunnen leiden tot een beter begrip van zijn vroege geschiedenis.
"In het begin was het zonnestelsel heel anders, met veel meer planeten, misschien zo groot als Neptunus, die zich vormden en naar verschillende plaatsen werden verspreid", vertelde Nesvorny aan Space.com.
Een gevaarlijke jeugd
Het vroege zonnestelsel was een tijd van gewelddadige botsingen en Uranus was niet vrijgesteld. Terwijl het oppervlak van de maan en Mercurius allebei tekenen van beschieting door kleinere rotsen en asteroïden vertonen, leed Uranus blijkbaar een aanzienlijke botsing met een protoplaneet op aarde. Als gevolg hiervan wordt Uranus op zijn kant gekanteld, met een paal die een half jaar naar de zon wijst.
Uranus is de grootste van de ijsreuzen, misschien deels omdat het tijdens de inslag een deel van zijn massa verloor.
