Het schijnbaar zo rustige zonnestelsel heeft een chaotische geschiedenis achter de rug

5 dagen geleden 3

In den beginne van het zonnestelsel, 4,6 miljard jaar geleden, is er licht. De piepjonge zon is net tot heet gas samengebald uit een koele gaswolk, daaromheen kolkt een schijf van overtollig stof en gas. Binnen enkele honderden miljoenen jaren zal dat materiaal samenklonteren en het huidige zonnestelsel vormen: rond een heel alledaagse ster draaien nu vier kleine rotsachtige planeetjes (waaronder de aarde) en vier zware, reusachtige gasplaneten. En niet te vergeten: een sloot planetoïden en dwergplaneten, waaronder Pluto.

De huidige structuur van het zonnestelsel oogt keurig in balans. Van binnen naar buiten: Mercurius, Venus, aarde, Mars, (de planetoïdengordel,) Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus. Stuk voor stuk voltooien ze netjes hun bijna cirkelvormige banen om de zon. Maar met de kleine Pluto, de dwergplaneet die net buiten de baan van Neptunus rondzwerft, is iets vreemds aan de hand. Zijn baan staat schots en scheef, en is bovendien elliptischer dan van de acht planeten. Hoe gebeurt zoiets, in een stabiel zonnestelsel? Is het eigenlijk wel stabiel?

En er zijn meer sporen te vinden die wijzen op een tumultueuze geschiedenis. De Kuipergordel, een verzameling ruimterotsen in de buitengebieden van het zonnestelsel, is veel ‘klonteriger’ dan die zou moeten zijn – de stenen bewegen meer samen dan onafhankelijk van elkaar. En Jupiters baan, dankzij zijn enorme massa nagenoeg onwrikbaar, is elliptischer dan verwacht. En het maanoppervlak lijkt een uitzonderlijk zware planetoïdenregen te hebben doorstaan.

Verdacht, vonden vier sterrenkundigen aan de Observatoire de la Côte d’Azur in de Franse stad Nice. Volgens hen maken deze aanwijzen een rustige vormingsgeschiedenis erg onwaarschijnlijk. Daarom ontwikkelden ze begin deze eeuw een geheel nieuw verhaal om de huidige staat van het zonnestelsel te verklaren. Een revolutie in het denken over het zonnestelsel. Hun belangrijkste vernieuwing: zo’n 600 miljoen jaar na de geboorte van de zon moet er een plotselinge opschudding zijn geweest, veroorzaakt door verschuivende gasplaneten. In korte tijd zou de ordening van de planeten onherroepelijk zijn veranderd.

Ruim twintig jaar later is het tijd om de balans op te maken. Want ja, dat het zonnestelsel turbulent ontstaan is, is wel duidelijk. Maar of dit zogenoemde Nice-model nog altijd standhoudt, is de vraag. Want waren het werkelijk de gasplaneten die op drift raakten? En wanneer dan? Er zijn inmiddels veel twijfels, en een nieuwe consensus is er nog niet.

De Nice-groep kwam tot haar conclusies door te experimenteren met digitale reconstructies van het zonnestelsel. Uitgerust met de wetten van de zwaartekracht berekenden hun supercomputers hoe de stand van de planeten gedurende 4,6 miljard jaar verandert. Als zo’n reconstructie een uitkomst oplevert die precies lijkt op het echte zonnestelsel – vier rotsachtige binnenplaneten, twee gasreuzen en twee ijsreuzen in de buitengebieden, een verzameling planetoïden, precies op de juiste afstanden, in de juiste banen – dan geldt dat als de digitale versie van de ultieme kosmische origin story, zo was het idee.

En dat lukte ook, in elk geval met de gasplaneten. Het Nice-model, gekenmerkt door een korte instabiele periode, was in 2005 goed voor drie baanbrekende publicaties in Nature. „Dat waren briljante artikelen”, blikt sterrenkundige Ramon Brasser terug, vanuit een werkkamertje in de Leidse Sterrewacht. Hij houdt zich bezig met de geschiedenis van het zonnestelsel en droeg ook zelf bij aan de ontwikkeling van het Nice-model. „Het verklaarde enorm veel. Maar het model kent zijn gebreken, zowel op wetenschappelijk als filosofisch vlak.”

Dat terwijl het model, waar in sommige varianten zelfs een bijna-botsing tussen Jupiter en een verstoten ijsreus aan te pas komt, nog altijd doorzingt in de sterrenkundige gemeenschap. Om dat te bespreken is Brasser vanuit zijn werkplek aan de universiteit van Boedapest op bezoek bij Simon Portegies Zwart, bij wie hij eind jaren negentig zijn masteronderzoek deed. Want wat is er sinds 2005 veranderd aan het Nice-model? Is het überhaupt wel mogelijk om aan alle kosmische aanwijzingen te voldoen? En is het zonnestelsel werkelijk overhoop gegooid door een stel gasreuzen?

IGasreuzen met een migratieachtergrond

In de jaren zestig en zeventig brachten de Apollo-maanmissies een collectie maanstenen naar de aarde die enkele decennia later de raison d’être van het Nice-model zou vormen. Opvallend aan die rotsen: waar op de maan ze ook vandaan kwamen, ze leken allemaal even oud te zijn. Zo’n 3,9 miljard jaar oud, zeshonderd miljoen jaar jonger dan de maan zelf. Vreemd, het maanoppervlak zou dus een aanzienlijke tijd ná de vorming van het zonnestelsel ‘gereset’ zijn.

Zoiets kan gebeuren door een uitzonderlijk gewelddadige regen van ruimterotsen. Die zou niets van het originele maanoppervlak hebben overgelaten. Dat idee sloeg aan, en kreeg al snel een naam: het late heavy bombardment. Maar: een planetoïde kan maar één keer op een hemellichaam inslaan, en dus neemt de hoeveelheid ruimterotsen in het zonnestelsel met de tijd af. Hoe kan het dan dat er tóch ineens een onverwacht zwaar bombardement op de maan was geweest, 600 miljoen jaar na het ontstaan van het zonnestelsel?

De sleutel tot een nieuw verhaal van het zonnestelsel, dat het hypothetische maanbombardement zou verklaren, was de baan van Pluto. Al in 1993 stelde Indiase sterrenkundige Renu Malhotra voor dat de vier gasplaneten mogelijk een migratieachtergrond hebben. In haar artikel, The origin of Pluto’s peculiar orbit, opperde Malhotra dat de scheve, elliptische baan van Pluto (toen nog een planeet genoemd) het gevolg zou zijn van een migrerende Neptunus.

Geen koud kunstje, het verhuizen van een reusachtige ijsplaneet als Neptunus, zeventien aardes zwaar. Maar vele planetoïden maken licht werk, zo blijkt uit Malhotra’s artikel. Vanuit een ring van ruimterotsen rondom zijn baan pikte Neptunus er af en toe eentje uit, zo schrijft ze, om die vervolgens via Uranus en Saturnus naar Jupiter (dus richting de zon) te slingeren. Volgens de derde wet van Newton – een actie gaat gepaard met een gelijke en tegenovergestelde reactie – slingert dat minuscule rotsblok Neptunus in zo’n geval ook een héél klein beetje in de tegenovergestelde richting. Gedurende honderden miljoenen jaren is migreert Neptunus zo in piepkleine stapjes naar buiten.

Het feit dat de gasplaneten zich zo door het zonnestelsel hebben kunnen verplaatsen, vormt de basis van het Nice-model. Op dezelfde manier als Neptunus gaan namelijk ook Jupiter en Saturnus, de twee zwaarste planeten, aan de wandel. Daarbij veranderen hun banen zodanig dat het tweetal in een zogeheten twee-tot-éénresonantie raakt. Dat wil zeggen: Jupiter maakt twee rondjes om de zon in de tijd dat Saturnus er één voltooit. In dat geval ontmoeten de twee elkaar steeds op hetzelfde punt in hun baan, waarbij ze elkaar met hun zwaartekracht een flinke duw geven.

„Vergelijk het met een schommel”, legt Portegies Zwart uit. „Als je steeds op precies het juiste moment geduwd wordt, ga je op een gegeven moment over de kop. En als Jupiter en Saturnus ‘over de kop’ gaan, dan destabiliseert dat het hele zonnestelsel. Inclusief een hoop planetoïden. Die knallen vervolgens op de maan, en hoppa: je hebt een verklaring voor het late heavy bombardment!”

Even alles op een rij: volgens het Nice-model stonden Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus ooit dichter bij elkaar. Vanuit een planetoïdengordel rondom de gasplaneten slingeren Neptunus, Uranus en Saturnus één voor één rotsblokken via elkaar naar Jupiter, waardoor ze langzaam naar buiten bewegen. Jupiter, met het gewicht van driehonderd aardes de krachtpatser van het zonnestelsel, geeft de ruimterotsen vervolgens een zwieper met zijn zwaartekracht en smijt ze de interstellaire ruimte in. Daardoor beweegt hij juist naar de zon toe.

De migratie verloopt rustig totdat Jupiter en Saturnus in een twee-tot-éénresonantie raken, 3,9 miljard jaar geleden. Dan zijn de rapen gaar. Het zonnestelsel wordt instabiel, de gas- en ijsreuzen knikkeren elkaar in sterk elliptische banen. Neptunus en Uranus ploegen door de planetoïdengordel, en veroorzaken een storm van planetoïden. Die slaan het maanoppervlak tot moes. Nu is de gordel bijna leeg, waardoor de migratie ten einde komt. Wat er van de planetoïdengordel over is, stabiliseert de gasreuzen langzaamaan, met als resultaat het hedendaagse zonnestelsel. Voilà.

In 2019 bleek het late heavy bombardment, de oorspronkelijke motivatie voor de theorie, niet te gebeurd te zijn.

IIEen los draadje

Brasser maakt een handbeweging die doet denken aan een neerknallende guillotine. „Het idee zwalkte al in 2016, maar het nekschot voor die voorgestelde maancatastrofe kwam in 2019. Als zoiets echt was gebeurd, hadden we soortgelijke sporen op bijvoorbeeld Mars moeten zien. En die zagen we niet. Het was klinkklaar.”

Zonder late heavy bombardment viel een deel van het oorspronkelijke mysterie weg dat het Nice-model moest verklaren. Die theorie was geijkt op de timing van de gewelddadige dans tussen Jupiter en Saturnus, en dat hoefde nu niet meer. De Nice-groep moest terug naar de tekentafel. Maar ze lieten hun idee niet los, vertelt Alessandro Morbidelli. Hij is een van de oorspronkelijke auteurs en verdedigt zijn model via een videoverbinding.

„Ik ben ervan overtuigd dat er een chaotische periode is geweest”, vertelt hij vriendelijk. „Dat staat als een huis, ook zonder het late maanbombardement. Het betekende alleen dat de instabiliteit eerder moet zijn gebeurd. Eén van de aanwijzingen is weg, maar er blijven er genoeg over. De structuur in de Kuipergordel, planetoïden in de baan van Jupiter, noem maar op.”

Portegies Zwart is kritischer. „Dé reden voor het Nice-model was weg! Dat is een wetenschapsfilosofisch probleem, vind ik. De instabiliteit kan later of eerder gebeurd zijn, zeggen de auteurs. Ze proberen het model in leven te houden. Maar er kan ook iets heel anders zijn gebeurd. Hun uitleg verklaart niet méér dan andere modellen doen. En toch blijft het model doorzingen in de gemeenschap.”

Dat komt door de wetenschappers die bij de ontwikkeling van het Nice-model betrokken waren, denkt Portegies Zwart. „En de carrières die eraan verbonden zijn. Er zijn vijf of zes Nature-publicaties geweest, dat is een waanzinnige hoeveelheid in zo’n belangrijk blad. Van mensen die toen postdoc waren, en nu hoogleraar.”

Nu komen de twee sterrenkundigen op stoom, in dat werkkamertje in de Leidse Sterrewacht. Portegies Zwart vervolgt: „En die dominantie betekent ook dat alternatieve modellen verdrongen worden. Als je een artikel schrijft dat het Nice-model bekritiseert, dan kun je erop rekenen dat een van de Nice-mensen je referee wordt. En die zal zeer zijn best doen om het de grond in te boren. Dat blokkeert de wetenschap.”

IIIHet vlindereffect

Duidelijk is dat álles in het zonnestelsel invloed op elkaar uitoefent. De zwaartekracht tussen twee rotsblokjes mag dan met het kwadraat van de afstand afnemen, hij blijft bestaan. Dat maakt het onmogelijk om met nette formules te voorspellen hoe het zonnestelsel zich zal ontwikkelen. Sterrenkundigen noemen zo’n systeem chaotisch. In zulke situaties regeert het vlindereffect: de uitkomst verandert drastisch door een piepkleine verschuiving in de beginvoorwaarden. De spreekwoordelijke vleugelslag van een vlinder kan al genoeg zijn.

„We zien het zonnestelsel als een statisch ding”, legt Portegies Zwart uit. „Je hebt de zon, de planeten en wat rommel. Maar werkelijk alles is aan elkaar gekoppeld. Ook tussen de groepjes planetoïden die we aparte namen hebben gegeven, is een onophoudelijke uitwisseling van materiaal. En daarmee van informatie. Er is geen stabiele bibliotheek waaruit we de geschiedenis van het zonnestelsel kunnen aflezen.”

Is het dan niet mogelijk om het huidige zonnestelsel in zijn geheel in de supercomputer te zetten, en de tijd simpelweg de andere kant op te laten lopen? Om dat idee moet Portegies Zwart grinniken. „Volstrekt onmogelijk. We weten namelijk dat er sinds het begin ontzettend veel materiaal uit het zonnestelsel is geslingerd. Als je de tijd omkeert, moet dat allemaal weer terugkomen naar het zonnestelsel. En we hebben werkelijk geen flauw idee waar dat vandaan moet komen. Dan zou je eigenlijk een model van de hele Melkweg moeten hebben.” En dat gaat niet, zelfs niet met de grootste supercomputers waar de wetenschap over beschikt.

IVGekunsteld, of briljant

Historici van het zonnestelsel zijn dus veroordeeld tot onbetrouwbare verhalen als het Nice-model, gekweld door afhankelijkheid van beginvoorwaarden en het vlindereffect. Dat maakt dat Brasser en Portegies Zwart ‘agnostisch’ zijn over de vraag of het Nice-model klopt. „Dat er een instabiliteit is geweest, is waarschijnlijk”, zegt Brasser. „En er is steeds meer bewijs dat het vroeg na de vorming van de planeten gebeurd is. Maar er is ook veel dat we níét weten.” Portegies Zwart voegt toe: „Het is een model dat een aantal dingen kan verklaren. Het hoeft niet waar te zijn.”

Van die agnostische voorzichtigheid is bij Morbidelli geen sprake. „Dat er een instabiliteit moet zijn geweest door Jupiter en Saturnus, is zo goed als zeker. Wanneer precies, en hoe dat exact in zijn werk ging, daarover kunnen we discussiëren. Maar ik zie eerlijk gezegd geen enkele kanshebber om het Nice-model van de troon te stoten. We hebben een overvloed aan aanwijzingen in ons zonnestelsel, en nog geen enkele spreekt ons model tegen.”

Morbidelli: „Juist omdat we aan zo veel eisen moeten voldoen, lijkt het Nice-model misschien nodeloos specifiek of gekunsteld. Maar we moeten verder kijken dan algemeenheden, als we een specifiek geval zoals ons zonnestelsel willen begrijpen. We hebben er immers maar één van.”

Doorslaggevend bewijs voor zijn model, zegt Morbidelli, is te vinden in onderzoek naar planetoïden in de baan van Jupiter. Als hun oorsprong inderdaad in de buitenste streken van het zonnestelsel ligt, kunnen ze alleen op hun huidige plek terecht zijn gekomen dankzij een instabiliteit zoals het Nice-model beschrijft. Zowel bij het Europese als Japanse ruimtevaartagentschap bestaan ideeën om een bezoekje te gaan brengen aan zulke planetoïden, al zal het nog even duren. „Misschien lukt zoiets rond 2040”, lacht Morbidelli. „Dat maak ik nog wel mee!”

Tot die tijd blijft de geschiedenis van het zonnestelsel even nevelig als de kolkende schijf waaruit het is ontstaan. Een lakmoesproef zoals Morbidelli die beschrijft zal moeten uitwijzen wie gelijk hebben.