Streven. Jaargang 12

[p. 452]

Wetenschappelijke kroniek
Het Ontstaan van het Zonnestelsel
F. Bertiau S.J.

EEN cosmogonist heeft een niet gemakkelijke taak: uit de nu bestaande toestand moet hij achterhalen hoe de Zon, de planeten en satellieten ontstaan zijn ruim vier miljard jaar geleden. De moeilijkste opgave voor een detectief is het opsporen van de omstandigheden van een misdaad die vele jaren geleden gebeurd is, omdat het grootste gedeelte van het bewijsmateriaal sedert lang verdwenen is. Hij zoekt dan gewoonlijk naar een sleutel, die hem in staat stelt het verleden te reconstrueren.

Zo is het ook met de planeten. Veronderstellen dat er in de laatste vier miljard jaren niets veranderd is, is een oversimplificatie. Het komt er op aan sporen terug te vinden van de oorspronkelijke toestand. Hoe meer men te weten komt over de Zon, de planeten en hun satellieten, des te meer kans bestaat er dat men de juiste sleutel vindt en door reconstructie van de initiale toestand het geheim ontraadselt. Ieder jaar levert nieuwe stukken voor de legpuzzel en de fantasie krijgt minder en minder kans om ons op een dwaalspoor te brengen, nu de elektronische rekenmachine de meest ingewikkelde vraagstukken kan oplossen. We zijn dus heel wat gevorderd sedert Descartes, Laplace en zelfs Jeans, die over de samenstelling van de atmosferen en over de radiogolven uitgezonden door de Zon en Jupiter niets wisten en voor wie het ontstaan van een ster praktisch een nog volmaakt bewaard geheim was.

Om ons een juist idee te kunnen vormen van de gedachtengang van Kuiper, Urey, Hoyle en Schmidt, vier vooraanstaande cosmogonisten, is het nodig zich het planetenstelsel nauwkeurig voor te stellen.

De Zon is het centrum van het zonnestelsel. Haar massa is zo groot dat ze 99,9% van de totale massa vertegenwoordigt. Ze bestaat in hoofdzaak uit waterstof en helium. Alle andere stoffen samen vertegenwoordigen slechts één percent. De Zon bevindt zich in hetzelfde vlak als dat waarin bijna alle grote planeten bewegen. Men noemt dit de ecliptica. Alleen de eerste en laatste planeet, Mercurius en Pluto, hebben een baanvlak dat sterk helt t.o.v. de ecliptica.

Er zijn negen grote planeten: Mercurius en Venus bevinden zich tussen de Zon en de Aarde. Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus en Pluto zijn verderaf gelegen en hun onderlinge afstand neemt telkens toe. Honderden kleine planeten draaien op banen die tussen Mars en Jupiter gelegen zijn. Hun totale massa is niet groter dan die van onze maan.

Merkwaardig is dat alle planeten om hun as draaien in enkele uren: Hun periode is altijd van dezelfde ordegrootte. (Van Mercurius en Venus zijn de omwentelingsperioden nog niet bekend). De Zon draait echter bijzonder langzaam om haar as: ongeveer eens per maand, zodat de snelheid aan de evenaar slechts 2 km per seconde bedraagt.

Een ander opvallend feit is de dichtheid van de binnenplaneten: Mercurius, Venus, Aarde en Mars tegenover de groep Jupiter, Saturnus, Uranus. De gemiddelde dichtheid van de eerste vier is zowat 4, hetgeen betekent dat 1 kubieke decimeter gemiddeld vier kg weegt. Het zijn rotsachtige planeten met een

[p. 453]

ijzernikkel kern. De grote planeten, Jupiter, Saturnus en Uranus, hebben een dichtheid in de buurt van één en zijn samengesteld uit dezelfde elementen als de Zon: waterstof en helium. De scheikundige samenstelling van Neptunus en Pluto is nog niet met zekerheid vastgesteld, maar het ziet er naar uit dat vooral Pluto uit zwaar materiaal bestaat. Er zijn dus gordels van rotsachtige en van waterstof-planeten. Vroeger meende men dat Jupiter uit een kleine rotskern bestond omgeven door een dikke waterstofmantel, maar dit idee is verlaten, nu men weet dat waterstof samengeperst onder hoge druk een kristalstructuur kan bezitten zodat de kern van Jupiter en Saturnus uit deze gecondenseerde vorm waterstof zou bestaan.

De planeten hebben doorgaans een paar satellieten. De Aarde is de eerste planeet met een satelliet, de maan. Alle verder van de Zon afgelegen planeten bezitten er meerdere en Jupiter heeft er zelfs 12. Pluto heeft wellicht geen satelliet, omdat zij zelf een ontsnapte satelliet van Neptunus is. Dat verklaart waarom haar baanvlak zo sterk helt op de ecliptica en de baan zeer elliptisch is. Het is dus feitelijk geen planeet en ze bevindt zich overigens niet waar men een planeet zou verwachten.

De satellieten draaien in het evenaarsvlak van de planeet waaromheen ze wentelen. In een kleine kijker valt het op dat de 4 Galileïsche manen van Jupiter steeds op een rechte bewegen die samenvalt met de evenaar van de planeet. De ring, de evenaar en bijna alle satellieten van Saturnus liggen in hetzelfde vlak. Het treffendste geval is dat van Uranus waarvan de rotatie-as bijna in de ecliptica ligt. De satellieten van Uranus draaien dan ook in een vlak dat praktisch loodrecht staat op de ecliptica. Er zijn nochtans enkele interessante uitzonderingen, waarvan de opvallendste onze aardsatelliet, de maan is. Deze volgt een baan die helemaal niet samenvalt met het evenaarsvlak van de Aarde, maar ze beweegt veeleer in de ecliptica. De massa van de maan bedraagt ongeveer 1/80-ste van die der aarde. Dit is zeer veel als men denkt aan de massaverhoudingen van alle andere satellieten en hun respectievelijke planeten. De maan is dus een apart geval en Kuiper beschouwt het systeem Aarde-maan dan ook als een dubbelplaneet zoals er ook dubbelsterren bestaan. Jupiter heeft eveneens een stel manen die abnormaal zijn: ze liggen op grotere afstand van Jupiter dan de Galileïsche manen en hebben zeer willekeurige banen. Het zijn hoogstwaarschijnlijk kleine planeten die door de zware planeet opgevangen werden. Het is dan ook niet te verwonderen dat hun banen niet samenvallen met het evenaarsvlak van de planeet.

Een van de merkwaardigste eigenschappen van het planetenstelsel is het feit dat alle grote planeten, Mercurius en Pluto uitgezonderd, bijna cirkelvormige banen doorlopen. Waren de planeten hemellichamen door de Zon gevangen op haar tocht in de melkweg, dan zou men niet verwachten dat ze cirkels zouden beschrijven, maar wel ellipsen die in willekeurige vlakken rond de Zon zouden draaien. De richting van de baan zou in een dergelijk geval eveneens willekeurig zijn. Hieruit blijkt duidelijk dat alle planeten samen ontstaan zijn. Dat Pluto een elliptische baan bezit, werd reeds verklaard door aan te nemen dat het een ontsnapte satelliet is van Neptunus. Mercurius is zo dicht bij de Zon dat men allerlei storende invloeden mag verwachten.

Het portret van het zonnestelsel is hiermee helemaal niet volledig geschilderd, maar het geeft tenminste de voornaamste trekken aan die cosmogonisch verklaard moeten worden.

[p. 454]

Welk is nu het waargenomen feit dat men als sleutel van het cosmogonisch probleem mag beschouwen? Kuiper en Hoyle zien het in de trage rotatie van de Zon. Sterren worden geboren in groepen of associaties. Ze condenseren langzaam uit interstellaire nevels zoals men er aantreft in Orion of de Schorpioen. Deze nevels bestaan uit waterstof, gas en stofdeeltjes. Het proces van het samentrekken onder invloed van de gravitatie duurt gewoonlijk vele miljoenen jaren. En doorgaans ontstaan er verschillende honderden sterren tegelijkertijd in dezelfde wolk. De uiteindelijke temperatuur en het spectraaltype van de sterren hangt af van de hoeveelheid materie die condenseerde. Na hun geboorte verlaten de nieuwe sterren de geboorteplek zodat het na enkele honderden miljoenen jaren onmogelijk is nog een associatie te herkennen, evenmin als de afstammelingen van één enkele voorvader elkaar nog terugvinden na enkele eeuwen.

Zo is het wellicht met de zon ook gegaan. Vier miljard jaren geleden condenseerde een ietwat afgeplatte wolk in de Orionarm. De andere sterren die in de buurt geboren zijn, kan men niet meer terugvinden omdat ze niet te onderscheiden zijn van de ontelbare sterren van de melkweg of ook omdat vele van hen reeds lang uitgedoofd zijn. Dat deze koude nevel een hete Zon produceerde, heeft niets onwaarschijnlijks. Theoretisch klimt de temperatuur van de Zon tot meer dan twintig miljoen graden enkel door gravitatie. Wat echter verbazingwekkend is in het geval van de Zon is het feit dat ze zo langzaam ronddraait. 2 km/sec. aan de evenaar is een snelheid die niet goed te verklaren is, indien men veronderstelt dat de Zon het resultaat is van een langzame contractie en dat ze onveranderd is gebleven. Men heeft namelijk berekend dat een gewone interstellaire wolk die praktisch geen beweging vertoont vóór de contractie, gedurende de contractie sneller en sneller om haar inertie-as gaat draaien zodat men voor de Zon een snelheid van ruim 200 tot 300 km/sec. aan de evenaar zou mogen verwachten.

Aangezien de berekeningen niet kloppen met de huidige gegevens, staan we hier voor een zeer belangrijke aanwijzing omtrent een verandering die zich voltrokken heeft in het zonnestelsel sedert zijn ontstaan. Daar de werkelijke rotatie van de Zon op zichzelf niet verklaarbaar is, is het nodig de planeten als hemellichamen te beschouwen die samen met de Zon zijn ontstaan en waaraan de Zon een gedeelte van haar rotatie-energie heeft afgestaan.

Wanneer we de Zon en de planeten als één mechanisch systeem beschouwen is de huidige totale rotatie van Zon en planeten reeds beter begrijpelijk, maar toch nog een factor 10 te klein. Er is dus iets meer gebeurd met het zonnestelsel. Er is materie uit het zonnestelsel verdwenen. De planeten waren vroeger zwaarder dan nu. Kuiper en Hoyle spreken van protoplaneten: planeten, ongeveer honderd maal massiever dan de huidige, vormden de kernen van de lokale condensaties in de wolk die rond de Zon draaide. Hun samenstelling was dezelfde zolang de Zon koud was, maar toen deze kleiner werd dan de baan van Mercurius nam de temperatuur snel toe en waterstof en helium verdampten geleidelijk uit de dichtste planeten. Alleen de zwaardere elementen bleven over en vormden de rotsplaneten. Zo verloren de binnenplaneten het grootste gedeelte van hun waterstof door een proces dat nog steeds doorgaat in de buitenste lagen van de atmosfeer, de hexosfeer. Omtrent het mechanisme dat de verwijdering van de lichtere elementen met zich bracht bestaat er nog onenigheid tussen de cosmogonisten, maar over de veel grotere massa van de protoplaneten is men het volkomen eens.

[p. 455]

Als men deze veel zwaardere planeten gebruikt om de totale rotatie-energie uit te rekenen verdwijnt natuurlijk het verschil tussen de berekende rotatie-energie en de waargenomene.

Er is nog één moeilijkheid: De planeet Neptunus is geen waterstofplaneet, evenmin als Pluto. Hoyle suggereert dat de jonge Zon in de nabijheid van een O of B-ster geboren werd, zoals er veel voorkomen in associaties. Dit zijn zeer hete sterren die de omgevende wolken verhitten en dus het verdampingsproces van de waterstof sterk bevorderen¹⁾. Het is een plausibele verklaring, maar ze geeft de indruk van een deus ex machina.

Om alles samen te vatten kan men zeggen dat de grote planeten de middelpunten geweest zijn van plaatselijke turbulentie in de samentrekkende wolk. De materie concentreerde zich meer en meer in een plat vlak en rond de acht kernen die nu de grote planeten zijn. De satellieten op hun beurt ontstonden als kleinere condensaties in hetzelfde vlak als het evenaarsvlak van de planeten. Dit verklaart waarom de satellieten van Uranus niet in de ecliptica liggen. De planeet had zelf een sterk hellende rotatie-as terwijl ze condenseerde.

In het geval van de Aarde verliepen de zaken enigszins anders. Er waren toevallig twee belangrijke condensatiekernen, de Aarde en de Maan. Elk draaide rond een as die niets te maken had met het vlak waarin ze wentelden. Beide concentreerden meer en meer materiaal, zodat de Aarde ongevaar 100 maal zwaarder werd dan nu het geval is. Beide waren in het begin van dit proces koud, maar de invallende materie verhoogde de temperatuur tot de twee bollen smolten. Radioactiviteit versnelde het proces van smelting. Wegens haar klein volume koelde de Maan sneller af dan de Aarde, zodat ze reeds een harde korst bezat in de periode toen ze de laatste brokstukken die rond de Zon zwierven verzamelde. In dat tijdperk ontstond volgens Kuiper het pokdalig uitzicht van de Maan. De duizenden kraters van de Maan zijn cirkelvormige bergen, die door het inslaan van meteorieten en de ontploffing die er mee gepaard gaat, ontstaan zijn zoals men er ook enkele op de Aarde aantreft. Was de Maan minder snel afgekoeld, dan zou van dit bombardement niets of bijna niets meer te merken zijn, zoals op de Aarde. Op vele plekken, de maria, hebben de lava-overstromingen de sporen van oudere kraters uitgewist. Volgens Kuiper zijn deze overstromingen te wijten aan het verbrijzelen van de dunne maankorst over een groot oppervlak door zware meteorieten. Het vloeibaar magma stroomde door de gemaakte spleten en drong zelfs binnen in oude kraters die overspoeld werden. Urey meent echter dat de lava-overstromingen te wijten zijn aan zeer grote meteorieten die wegens hun grote snelheid smolten toen ze tegen het maanoppervlak botsten. Het is nog te vroeg om tussen de twee theorieën te kiezen, maar duidelijk is dat beide cosmogonisten zowel het ontstaan van kraters als dat van de maria aan het inslaan van meteorieten toeschrijven. Dat er enkele vulkanen op de Maan zouden zijn, lijkt zeer waarschijnlijk, maar vulkanisme kan niet de vorm en het grote aantal kraters van de Maan verklaren.

Dat de Aarde bijna geen maankraters bezit is vooral te wijten aan de vloeibare toestand waarin de Aarde toen nog verkeerde. Sedertdien is de korst hard geworden en is het grootste gedeelte van de massa door verdamping in de interstellaire ruimte verdwenen.

1) Cfr. F. Bertiau, Hoe oud zijn de sterren? in Streven, februari 1958. - W. De Smaele, De Zon als ster in Streven, oktober 1957.

[p. 456]

Wat de kleine planeten betreft, deze ontstonden in een zone waar de storende invloed van de zeer massieve planeet Jupiter de concentratie van één enkele planeet belette. Waarschijnlijk is er nooit een enkele planeet in dit gebied geweest, maar hebben zich een reeks kleinere gevormd die dan weer door botsingen uiteenvielen. De grootste kleine planeet heeft slechts een straal van 680 km en de meesten hebben niet het uitzicht van bollen, maar van brokstukken. Dat er zich botsingen voorgedaan hebben lijkt zeer waarschijnlijk omdat de meeste kleine planeten zich in families met gelijksoortige eigenschappen laten indelen.

Is hiermee nu gans het mysterie opgeklaard? Volstrekt niet. De voornaamste verdienste van deze verklaring is dat ze goed aansluit bij de huidige kennis die men heeft van het ontstaan van de sterren. Het is een zeer natuurlijke verklaring. Maar er blijven vragen open, zoals: welk is de kleefstof die het aaneenkitten van de kernen bevorderde? Hoyle denkt aan pek, Urey aan natte sneeuw. Hoe werd de snelle rotatie van de Zon overgebracht op de wervels waaruit de planeten ontstonden? Hoyle wijst hier vooral op het sterke magnetische veld van de Zon, dat zulk een invloed inderdaad moet hebben.

Er bestaat dus nog wel stof voor onderzoek, maar de grote lijnen tekenen zich steeds beter af. Het planetenstelsel kan zeer goed verklaard worden als gevolg van de geboorte van een associatie van sterren. Dat interstellaire wolken allerlei vormen kunnen hebben is zeker en dat de ene vorm meer kans biedt voor het ontstaan van een enkele ster of van een dubbelster, terwijl een andere veeleer tot een planetenstelsel zal ontwikkelen is best mogelijk. Wie hieruit echter afleidt dat er zich dus zeer veel planetenstelsels in de melkweg voordoen, is erg voorbarig in zijn oordeel omdat de cosmogonie nog een zeer jonge wetenschap is die volstrekt nog geen oordeel kan vellen over de kansen die een wolk heeft om zich tot een bepaald systeem te ontwikkelen.