Hoe ontstaan planeten?
Planeten lijken vanaf de aarde misschien grote, vaste werelden die altijd al hebben bestaan. Toch is iedere planeet ooit begonnen als een verzameling gas, stof en kleine deeltjes rond een jonge ster.
De geboorte van een planeet is een langdurig proces. Kleine stofdeeltjes botsen tegen elkaar, klonteren samen en vormen steeds grotere brokken. Uiteindelijk kunnen deze uitgroeien tot objecten die groot genoeg zijn om door hun zwaartekracht steeds meer materiaal aan te trekken.
Zo ontstaat stap voor stap een nieuwe wereld.
Ons eigen zonnestelsel is ongeveer 4,6 miljard jaar geleden op deze manier ontstaan. Door naar de planeten van vandaag te kijken, maar ook naar jonge sterren en andere planetenstelsels, proberen wetenschappers te begrijpen hoe dat proces precies verliep.
Alles begint met een wolk van gas en stof
Voordat onze zon en planeten bestonden, bevond zich op de plaats van ons zonnestelsel een enorme wolk van gas en stof.
Deze wolk bestond voornamelijk uit waterstof en helium, maar bevatte ook zwaardere elementen die afkomstig waren van oudere sterren.
Onder invloed van zwaartekracht begon een deel van de wolk samen te trekken.
Naarmate het materiaal dichter bij elkaar kwam, nam de snelheid van de draaiende wolk toe. Tegelijkertijd werd de wolk steeds platter.
In het midden ontstond uiteindelijk een steeds dichter en heter gebied: de jonge zon.
Een schijf rond de jonge zon
Terwijl de jonge zon zich vormde, bleef een groot deel van het materiaal eromheen draaien.
Dat materiaal vormde een brede, platte protoplanetaire schijf.
In deze schijf bevonden zich gas, stof, ijs en kleine vaste deeltjes.
De meeste planeten ontstonden uiteindelijk uit materiaal in deze schijf.
De oorspronkelijke vorm van de schijf verklaart ook waarom de meeste planeten tegenwoordig ongeveer in hetzelfde vlak rond de zon bewegen.
Van stof naar grotere brokken
De eerste stap naar een planeet lijkt eenvoudig: kleine deeltjes moeten bij elkaar komen.
Stofdeeltjes kunnen elkaar raken en onder bepaalde omstandigheden aan elkaar blijven kleven.
Zo ontstaan steeds grotere klompjes materiaal.
Wanneer deze objecten groter worden, begint hun eigen zwaartekracht een steeds belangrijkere rol te spelen.
Ze kunnen daardoor meer materiaal aantrekken.
Uiteindelijk ontstaan grotere lichamen die planetesimalen worden genoemd.
Planetesimalen: de bouwstenen van planeten
Planetesimalen zijn relatief grote objecten die uit de oorspronkelijke schijf zijn ontstaan.
Ze kunnen kilometers groot zijn en bestaan uit gesteente, metaal en of ijs, afhankelijk van waar ze zich in de schijf bevinden.
In de jonge planetenstelsels bewegen enorme aantallen van deze objecten rond hun ster.
Botsingen komen daardoor regelmatig voor.
Sommige botsingen zorgen ervoor dat objecten uit elkaar vallen. Andere botsingen leiden juist tot het samenvoegen van materiaal.
Op die manier kunnen planetesimalen uiteindelijk uitgroeien tot protoplaneten.
Protoplaneten worden steeds groter
Een protoplaneet is een jonge planeet in ontwikkeling.
Wanneer zo’n object voldoende massa heeft, wordt zijn zwaartekracht steeds sterker. Daardoor kan het nog meer materiaal uit zijn omgeving aantrekken.
Dit proces kan miljoenen jaren duren.
In de jonge omgeving rond de zon waren er waarschijnlijk veel protoplaneten die met elkaar concurreerden om materiaal.
Sommige groeiden uit tot grote planeten. Andere werden door botsingen vernietigd, samengevoegd of uit hun oorspronkelijke baan weggeslingerd.
Waarom zijn de binnenplaneten rotsachtig?
In ons zonnestelsel bevinden Mercurius, Venus, de aarde en Mars zich relatief dicht bij de zon.
In dit gebied was het tijdens de vorming van de planeten te warm voor veel vluchtige stoffen om gemakkelijk als ijs aanwezig te blijven.
Zwaardere materialen zoals metalen en gesteenten konden daar wel samenklonteren.
Daarom ontstonden in het binnenste deel van het zonnestelsel vooral rotsachtige planeten.
Hun samenstelling verschilt onderling, maar ze hebben allemaal een vast oppervlak en relatief veel gesteente en metaal.
Verder van de zon verandert het materiaal
Verder van de jonge zon daalde de temperatuur.
Daar konden ook vluchtige stoffen zoals water en andere verbindingen in vaste vorm voorkomen.
Daardoor was er in de buitenste delen van de protoplanetaire schijf veel meer materiaal beschikbaar waaruit grote planeten konden ontstaan.
De kernen van sommige planeten konden daardoor snel groot worden.
Wanneer zo’n kern voldoende massa bereikte, kon hij bovendien grote hoeveelheden gas aantrekken.
Zo ontstonden de gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus.
De ijsreuzen
Uranus en Neptunus ontstonden eveneens in het buitenste zonnestelsel, maar hun ontwikkeling verliep anders dan die van Jupiter en Saturnus.
Ze bevatten naar verhouding veel meer materialen zoals water, ammoniak en methaan.
Daarom worden ze ijsreuzen genoemd.
Ook hier betekent ‘ijs’ niet simpelweg dat de planeten uit enorme blokken bevroren water bestaan. Onder de enorme druk en temperatuur diep in deze planeten bevinden de stoffen zich in bijzondere toestanden.
De verschillende soorten planeten laten zien dat de omstandigheden tijdens hun ontstaan een grote invloed hadden op hun uiteindelijke samenstelling.
De grens waar ijs kan bestaan
In een jong planetenstelsel bevindt zich een gebied dat vaak de sneeuwgrens wordt genoemd.
Binnen deze grens is het te warm voor bepaalde vluchtige stoffen om als ijs te blijven bestaan.
Buiten de grens kunnen stoffen zoals water gemakkelijker bevriezen.
De precieze positie van deze grens verandert tijdens de ontwikkeling van een jonge ster en haar schijf.
Toch helpt het concept om te begrijpen waarom er in het buitenste deel van ons zonnestelsel zoveel ijsrijk materiaal beschikbaar was.
Botsingen horen bij het ontstaan
Het ontstaan van planeten verloopt niet rustig.
De jonge planeten bewegen door een omgeving vol andere objecten. Botsingen zijn daardoor onvermijdelijk.
Sommige botsingen kunnen enorme gevolgen hebben.
Een object kan bijvoorbeeld een groot deel van een jonge planeet afbreken. Maar een botsing kan er ook voor zorgen dat twee grote lichamen uiteindelijk één planeet vormen.
Wetenschappers denken dat grote inslagen een belangrijke rol hebben gespeeld bij de ontwikkeling van verschillende planeten in ons zonnestelsel.
Hoe ontstond onze maan?
Ook de maan is waarschijnlijk het gevolg van een enorme botsing.
Volgens de meest geaccepteerde verklaring botste een groot hemellichaam in de vroege geschiedenis van de aarde met onze jonge planeet.
Door de inslag kwam een grote hoeveelheid materiaal in een baan rond de aarde terecht.
Uit dit materiaal ontstond uiteindelijk de maan.
De precieze details van deze gebeurtenis worden nog steeds onderzocht, maar de grote-inslaghypothese verklaart verschillende eigenschappen van het aarde-maansysteem.
Planeten kunnen ook van baan veranderen
Planeten blijven na hun ontstaan niet altijd precies op dezelfde plek.
In een jong planetenstelsel oefenen de planeten en kleinere objecten voortdurend zwaartekracht op elkaar uit.
Daardoor kunnen banen langzaam veranderen.
Een grote planeet kan bijvoorbeeld materiaal uit zijn omgeving wegduwen of kleinere objecten naar andere banen sturen.
Ook kunnen planeten dichter naar hun ster bewegen of juist verder naar buiten.
Bij ons zonnestelsel hebben dergelijke processen waarschijnlijk een rol gespeeld tijdens de vroege ontwikkeling.
Jupiter als grote beïnvloeder
Jupiter is enorm zwaar en heeft daardoor een sterke zwaartekracht.
In de vroege geschiedenis van het zonnestelsel kan Jupiter de banen van andere objecten sterk hebben beïnvloed.
Kleine hemellichamen konden daardoor uit hun oorspronkelijke banen worden verplaatst.
Ook de verdeling van materiaal in het jonge zonnestelsel werd waarschijnlijk mede beïnvloed door de grote planeten.
De aanwezigheid van Jupiter hielp daarmee mee bepalen hoe het uiteindelijke zonnestelsel eruit kwam te zien.
Niet iedere planeet wordt groot
In een jonge planetenstelsel is niet genoeg materiaal beschikbaar om ieder object uit te laten groeien tot een grote planeet.
Sommige objecten blijven klein.
Dat kan gebeuren omdat ze minder materiaal in hun omgeving hebben verzameld, doordat hun groei vroeg werd gestopt of omdat ze door zwaartekrachtinteracties uit hun oorspronkelijke gebied werden verplaatst.
Asteroïden en andere kleine objecten zijn daardoor overblijfselen van een proces dat nooit volledig tot een planeet leidde.
Waarom zijn sommige planeten anders dan andere?
Geen twee planeten hoeven precies hetzelfde te ontstaan.
De hoeveelheid materiaal, temperatuur, afstand tot de ster, botsingen en zwaartekrachtsinvloeden spelen allemaal een rol.
Daardoor kunnen planeten die rond dezelfde ster ontstaan toch sterk van elkaar verschillen.
Dat zien we duidelijk in ons eigen zonnestelsel.
Mercurius is een kleine rotswereld dicht bij de zon. De aarde heeft oceanen en een relatief dikke atmosfeer. Jupiter is een enorme gasreus en Uranus een koude ijsreus.
Ze zijn allemaal ontstaan uit dezelfde oorspronkelijke schijf, maar hun ontwikkeling verliep anders.
Ook andere sterren hebben planeten
Ons zonnestelsel is niet uniek.
Astronomen hebben inmiddels duizenden planeten buiten ons zonnestelsel ontdekt. Deze worden exoplaneten genoemd.
Sommige draaien dicht rond hun ster, terwijl andere zich op veel grotere afstanden bevinden.
Er zijn enorme gasreuzen ontdekt, maar ook kleine rotsachtige werelden.
Sommige planetenstelsels zien er bovendien heel anders uit dan het onze.
Dat laat zien dat planeetvorming op verschillende manieren kan verlopen.
Jonge planetenstelsels bekijken
Wanneer astronomen naar jonge sterren kijken, kunnen ze soms de schijven rond deze sterren rechtstreeks waarnemen.
Met moderne telescopen zijn daarin ringen, gaten en andere structuren zichtbaar.
Sommige van deze structuren kunnen ontstaan doordat jonge planeten materiaal in hun omgeving beïnvloeden.
Op die manier kunnen astronomen tegenwoordig processen bestuderen die in ons eigen zonnestelsel miljarden jaren geleden plaatsvonden.
De rol van de James Webb-ruimtetelescoop
Moderne ruimtetelescopen kunnen bovendien onderzoeken welke stoffen aanwezig zijn rond jonge sterren en in de omgevingen waarin planeten ontstaan.
De James Webb Space Telescope kan bijvoorbeeld infraroodlicht waarnemen dat door stofwolken heen kan dringen.
Daarmee kunnen wetenschappers meer leren over de chemische omstandigheden waarin nieuwe planeten ontstaan.
Het onderzoek gaat dus niet alleen over het vinden van planeten, maar ook over het begrijpen van hun geboorteomgeving.
Wanneer is een planeet ‘af’?
Een planeet ontstaat niet op één bepaald moment.
Zelfs nadat een jonge planeet groot genoeg is geworden om als planeet te worden beschouwd, kan haar ontwikkeling nog miljarden jaren doorgaan.
Botsingen kunnen het oppervlak veranderen. Vulkanisme kan nieuw gesteente vormen. Een atmosfeer kan ontstaan, verdwijnen of veranderen.
Ook de interactie met een ster en andere planeten kan de ontwikkeling beïnvloeden.
Een planeet is daarom eerder het resultaat van een langdurig proces dan van één enkel vormingsmoment.
De atmosfeer kan later ontstaan
De atmosfeer van een jonge planeet hoeft niet precies hetzelfde te zijn als de atmosfeer waarmee zij begint.
Gassen kunnen vrijkomen uit vulkanen en gesteenten. Sommige planeten kunnen materiaal uit de ruimte opnemen.
Tegelijkertijd kunnen lichte gassen naar de ruimte ontsnappen.
De uiteindelijke atmosfeer hangt daardoor af van verschillende factoren, zoals massa, temperatuur, zwaartekracht en afstand tot de ster.
De aarde is daar een goed voorbeeld van. Onze atmosfeer is in de loop van miljarden jaren sterk veranderd.
Water kan op verschillende manieren ontstaan of aankomen
Water is een belangrijk onderdeel van veel planeten en manen.
Op aarde is een deel van het water waarschijnlijk al aanwezig geweest in het materiaal waaruit de planeet ontstond. Ook kunnen waterrijke asteroïden en andere objecten later materiaal hebben aangevoerd.
Welke bijdrage ieder proces precies heeft geleverd, wordt nog onderzocht.
Bij andere planeten kan het verhaal weer heel anders zijn.
Dat maakt water een interessant onderdeel van het onderzoek naar planeetvorming.
Waarom zijn planeten zo verschillend?
Wanneer we alle processen bij elkaar nemen, wordt duidelijk waarom planeten zo sterk van elkaar kunnen verschillen.
Hun eigenschappen zijn het resultaat van een combinatie van:
- de samenstelling van het oorspronkelijke materiaal;
- de afstand tot de ster;
- de temperatuur tijdens de vorming;
- de hoeveelheid beschikbare materie;
- botsingen met andere objecten;
- zwaartekrachtinteracties;
- de ontwikkeling van de atmosfeer;
- en miljarden jaren van geologische verandering.
Een planeet is dus niet alleen een product van zijn geboorte, maar ook van alles wat daarna gebeurt.
Kunnen we een nieuwe aarde zien ontstaan?
Astronomen zijn nog niet in staat om een planeet als de aarde stap voor stap te zien ontstaan.
Het proces duurt daarvoor veel te lang.
Wel kunnen we verschillende jonge sterren in verschillende ontwikkelingsstadia bekijken.
De ene ster heeft bijvoorbeeld nog een dichte stofschijf, terwijl rond een andere ster al duidelijke structuren aanwezig zijn.
Door deze systemen met elkaar te vergelijken, proberen wetenschappers de verschillende fasen van planeetvorming in kaart te brengen.
Het is alsof we losse beelden van een heel lang proces verzamelen en daaruit het volledige verhaal proberen te reconstrueren.
Een proces van miljoenen jaren
De belangrijkste groei van planeten vindt relatief snel plaats op astronomische schaal, maar duurt nog altijd miljoenen jaren.
Dat klinkt misschien lang, maar vergeleken met de leeftijd van een planetenstelsel is het slechts een korte periode.
Daarna volgen miljarden jaren waarin de gevormde planeten verder veranderen.
Ons zonnestelsel is daar een goed voorbeeld van. De aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud, maar haar oppervlak, atmosfeer en klimaat zijn in die tijd voortdurend veranderd.
Van stofdeeltje naar wereld
Het ontstaan van een planeet begint dus met materiaal dat op het eerste gezicht weinig bijzonder lijkt.
Een klein stofdeeltje kan zich verbinden met andere deeltjes. Grotere brokken ontstaan. Planetesimalen groeien uit tot protoplaneten en sommige daarvan worden uiteindelijk volwaardige planeten.
Onderweg kunnen botsingen, zwaartekracht en temperatuur het proces sterk beïnvloeden.
Het eindresultaat kan een rotswereld, gasreus of ijsreus zijn.
De geboorte van werelden
Iedere planeet vertelt uiteindelijk het verhaal van haar eigen ontstaan.
Mercurius, Venus, de aarde en Mars laten zien hoe rotsachtige werelden zich kunnen ontwikkelen. Jupiter en Saturnus tonen hoe enorme gasreuzen kunnen ontstaan. Uranus en Neptunus laten een andere vorm van grote planeet zien.
En buiten ons zonnestelsel ontdekken astronomen steeds meer planeten die weer andere eigenschappen hebben.
Hoe meer jonge planetenstelsels we bestuderen, hoe beter we begrijpen dat planeetvorming geen eenvoudig stappenplan is.
Het is een ingewikkeld samenspel van zwaartekracht, materie, botsingen en tijd.
Van een wolk naar een planetenstelsel
Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden begon ook ons zonnestelsel als een wolk van gas en stof.
Uit die wolk ontstond de zon. Rond de jonge ster vormde zich een schijf waarin materiaal samenklonterde.
Miljoenen jaren later waren de grote planeten gevormd.
Sindsdien zijn ze voortdurend veranderd.
De werelden die we vandaag zien, zijn dus het eindresultaat van een zeer lange geschiedenis.
Een planeet is nooit zomaar ontstaan
Wanneer we ’s nachts naar een planeet kijken, zien we slechts het eindresultaat van een proces dat miljoenen jaren heeft geduurd.
Achter iedere wereld schuilt een geschiedenis van stofdeeltjes, botsingen, zwaartekracht en verandering.
Sommige planeten groeiden uit tot enorme gasreuzen, andere bleven kleine rotswerelden. Sommige kregen dikke atmosferen, andere verloren bijna al hun gas. Sommige kregen manen, terwijl andere zonder natuurlijke satellieten bleven.
Juist die verschillen maken planeetvorming zo interessant.
Door onze eigen planeten en jonge planetenstelsels rond andere sterren te bestuderen, proberen wetenschappers steeds beter te begrijpen hoe uit een eenvoudige wolk van materiaal complete werelden kunnen ontstaan.
Van een klein stofdeeltje tot een planeet die miljarden jaren later nog steeds door de ruimte reist: het ontstaan van een planeet is een van de grootste processen uit de geschiedenis van een planetenstelsel.