Sinds mensenheugenis zijn mensen op zoek naar het antwoord hoe het universum is ontstaan. Het is echter pas in de afgelopen eeuwen, met de wetenschappelijke revolutie, dat de overheersende theorieën empirisch van aard waren. In deze tijd, van de 16e tot de 18e eeuw, begonnen astronomen en natuurkundigen op feiten gebaseerde verklaringen te formuleren over hoe onze zon, de planeten en het heelal begonnen.
Als het gaat om de vorming van ons zonnestelsel, staat de meest geaccepteerde visie bekend als de Nebulaire hypothese. In wezen stelt deze theorie dat de zon, de planeten en alle andere objecten in het zonnestelsel miljarden jaren geleden zijn gevormd uit vaag materiaal. Oorspronkelijk voorgesteld om de oorsprong van het zonnestelsel te verklaren, is deze theorie uitgegroeid tot een algemeen aanvaarde visie op hoe alle sterrenstelsels zijn ontstaan.
Nebulaire hypothese:
Volgens deze theorie begonnen de zon en alle planeten van ons zonnestelsel als een gigantische wolk van moleculair gas en stof. Toen, ongeveer 4,57 miljard jaar geleden, gebeurde er iets waardoor de cloud instortte. Dit zou het gevolg kunnen zijn van een passerende ster of schokgolven van een supernova, maar het eindresultaat was een instorting van de zwaartekracht in het midden van de wolk.
Door deze ineenstorting begonnen stof- en gaszakken zich te verzamelen in dichtere gebieden. Naarmate de dichtere regio's steeds meer materie introkken, zorgde het behoud van momentum ervoor dat het begon te roteren, terwijl toenemende druk ervoor zorgde dat het opwarmde. Het meeste materiaal belandde in een bal in het midden, terwijl de rest van de materie plat werd tot een schijf die eromheen cirkelde. Terwijl de bal in het midden de zon vormde, zou de rest van het materiaal de protoplanetaire schijf vormen.
De planeten zijn gevormd door aanwas van deze schijf, waarin stof en gas samen zijn gegroeid en samengesmolten tot steeds grotere lichamen. Vanwege hun hogere kookpunten zouden alleen metalen en silicaten in vaste vorm dichter bij de zon kunnen bestaan, en deze zouden uiteindelijk de aardse planeten van Mercurius, Venus, aarde en Mars vormen. Omdat metalen elementen slechts een heel klein deel van de zonnevel bevatten, konden de aardse planeten niet erg groot worden.
Daarentegen vormden de gigantische planeten (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus) zich voorbij het punt tussen de banen van Mars en Jupiter waar materiaal koel genoeg is om vluchtige ijzige verbindingen vast te houden (d.w.z. de Frost Line). De ijsjes die deze planeten vormden, waren talrijker dan de metalen en silicaten die de aardse binnenplaneten vormden, waardoor ze massief genoeg konden worden om grote atmosferen van waterstof en helium vast te leggen. Overgebleven puin dat nooit planeten zijn geworden, verzameld in regio's zoals de Asteroid Belt, Kuiper Belt en Oort Cloud.
Binnen 50 miljoen jaar werden de druk en de dichtheid van waterstof in het centrum van de protostar groot genoeg om thermonucleaire fusie te starten. De temperatuur, reactiesnelheid, druk en dichtheid namen toe totdat hydrostatisch evenwicht was bereikt. Op dit punt werd de zon een ster in de hoofdreeks. Zonnewind van de zon creëerde de heliosfeer en veegde het resterende gas en stof van de protoplanetaire schijf de interstellaire ruimte in, waardoor het planetaire vormingsproces werd beëindigd.
Geschiedenis van de nevelhypothese:
Het idee dat het zonnestelsel afkomstig is van een nevel werd voor het eerst voorgesteld in 1734 door de Zweedse wetenschapper en theoloog Emanual Swedenborg. Immanuel Kant, die bekend was met het werk van Swedenborg, ontwikkelde de theorie verder en publiceerde deze in het zijne Universele natuurlijke geschiedenis en theorie van de hemel(1755). In deze verhandeling betoogde hij dat gaswolken (nevels) langzaam roteren, als gevolg van de zwaartekracht geleidelijk in elkaar zakken en plat worden en sterren en planeten vormen.
Pierre-Simon Laplace stelde in zijn verhandeling een soortgelijk maar kleiner en gedetailleerder model voor Exposition du system du monde (Exposition of the system of the world), dat hij in 1796 uitbracht. Laplace theoretiseerde dat de zon oorspronkelijk een uitgebreide hete atmosfeer had in het hele zonnestelsel, en dat deze "protostar-wolk" afkoelde en samentrok. Naarmate de wolk sneller ronddraaide, wierp hij materiaal af dat uiteindelijk condenseerde om de planeten te vormen.
Het Laplacian-nevelmodel werd in de 19e eeuw algemeen aanvaard, maar had enkele nogal uitgesproken moeilijkheden. Het belangrijkste probleem was de verdeling van de impulsmoment tussen de zon en de planeten, wat het nevelmodel niet kon verklaren. Bovendien beweerde de Schotse wetenschapper James Clerk Maxwell (1831 - 1879) dat verschillende rotatiesnelheden tussen de binnenste en buitenste delen van een ring geen condensatie van materiaal mogelijk maakten.
Het werd ook afgewezen door astronoom Sir David Brewster (1781 - 1868), die verklaarde dat:
“Degenen die in de neveltheorie geloven, beschouwen het als zeker dat onze aarde haar vaste stof en haar atmosfeer heeft afgeleid van een ring die uit de zonneatmosfeer is gegooid, die daarna samentrok in een vaste waterbodem, van waaruit de maan door dezelfde werd afgeworpen proces… [Onder een dergelijke visie] moet de Maan noodzakelijkerwijs water en lucht hebben afgevoerd van de waterige en bovengrondse delen van de Aarde en moet een atmosfeer hebben. ”
Aan het begin van de 20e eeuw was het Laplacian-model uit de gratie geraakt, wat wetenschappers ertoe bracht nieuwe theorieën te zoeken. Het duurde echter tot in de jaren 70 dat de moderne en meest algemeen aanvaarde variant van de nevelhypothese - het model van de zonne-nevelschijf (SNDM) - opdook. De eer hiervoor gaat naar de Sovjetastronoom Victor Safronov en zijn boek Evolutie van de protoplanetaire wolk en vorming van de aarde en de planeten (1972). In dit boek werden bijna alle grote problemen van het planetaire vormingsproces geformuleerd en vele opgelost.
Zo is het SNDM-model erin geslaagd het uiterlijk van accretieschijven rond jonge stellaire objecten te verklaren. Verschillende simulaties hebben ook aangetoond dat de aangroei van materiaal in deze schijven leidt tot de vorming van een paar lichamen ter grootte van een aarde. Dus de oorsprong van terrestrische planeten wordt nu beschouwd als een bijna opgelost probleem.
Oorspronkelijk alleen toegepast op het zonnestelsel, werd de SNDM later door theoretici beschouwd als werkend in het hele universum, en is het gebruikt om de vorming van veel van de exoplaneten te verklaren die door ons hele melkwegstelsel zijn ontdekt.
Problemen:
Hoewel de neveltheorie algemeen wordt geaccepteerd, zijn er nog steeds problemen die astronomen niet hebben kunnen oplossen. Zo is er het probleem van gekantelde assen. Volgens de neveltheorie zouden alle planeten rond een ster op dezelfde manier moeten worden gekanteld ten opzichte van de ecliptica. Maar zoals we hebben geleerd, hebben de binnenplaneten en buitenplaneten radicaal verschillende axiale kantelingen.
Terwijl de binnenste planeten variëren van bijna 0 graden kantelen, andere (zoals de aarde en Mars) aanzienlijk zijn gekanteld (respectievelijk 23,4 ° en 25 °), hebben buitenste planeten kantelingen die variëren van de kleine kanteling van Jupiter van 3,13 ° tot Saturnus en Neptunus meer uitgesproken hellingshoeken (26,73 ° en 28,32 °), tot Uranus 'extreme kanteling van 97,77 °, waarbij de polen constant naar de zon gericht zijn.
Ook hebben de studie van extrasolaire planeten wetenschappers in staat gesteld onregelmatigheden op te merken die de nevelhypothese in twijfel trekken. Sommige van deze onregelmatigheden hebben te maken met het bestaan van 'hete Jupiters' die dicht bij hun sterren draaien met een periode van slechts een paar dagen. Astronomen hebben de nevelhypothese aangepast om enkele van deze problemen te verklaren, maar moeten nog alle buitenliggende vragen beantwoorden.
Helaas lijkt het erop dat het vragen heeft die te maken hebben met oorsprong die het moeilijkst te beantwoorden is. Net wanneer we denken dat we een bevredigende verklaring hebben, blijven er die lastige problemen waar het gewoon geen verklaring voor kan geven. Maar tussen onze huidige modellen van ster- en planeetvorming en de geboorte van ons heelal zijn we ver gekomen. Naarmate we meer leren over naburige sterrenstelsels en meer van de kosmos verkennen, zullen onze modellen waarschijnlijk verder rijpen.
We hebben veel artikelen over het zonnestelsel geschreven hier bij Space Magazine. Hier is het zonnestelsel, begon ons zonnestelsel met een kleine knal? En wat was hier vóór het zonnestelsel?
Bekijk voor meer informatie de oorsprong van het zonnestelsel en hoe de zon en planeten zijn gevormd.
Astronomy Cast heeft ook een aflevering over het onderwerp - Aflevering 12: Waar komen babysterren vandaan?
