Het mysterie van de kleine planeet Mars
Het Zonnestelsel is voor vele van ons één groot raadsel. Hoe zijn de planeten ontstaan? Hoe zijn ze opgebouwd en waarom? Al eeuwen houden wetenschappers zich met deze vragen bezig. Binnen de aardwetenschappen wordt het dan ook steeds populairder om je bezig te houden met planeetwetenschappen. Zo wordt er in mijn master het vak ‘Planetary Sciences’ aangeboden, waarin we met een geologische blik leren kijken naar andere planeten. Tijdens een van de colleges kwam het ‘Small Mars Problem’ aan bod. Ik had hier nog nooit van gehoord en had mij überhaupt nooit echt bezig gehouden met de vorming van het zonnestelsel. Het Small Mars Problem, oftewel het kleine Mars probleem, houdt in dat Mars eigenlijk veel te klein is in diameter. Volgens de modellen van wetenschappers had Mars veel groter moeten zijn (er wordt ook wel gesproken over een Mega Mars). Waarom Mars zo klein is gebleven, is voor veel wetenschappers jaren lang een raadsel geweest. Echter is men nu steeds dichterbij de oplossing van dit probleem gekomen. Ik vond dit college zelf zo interessant, dat ik hier graag over vertel in dit College van de Maand.
Ons zonnestelsel: Het mysterieuze begin
Om te beginnen, is het handig om eerst een idee te hebben over het ontstaan van ons Zonnestelsel. De meeste geaccepteerde hypothese die het ontstaan van ons zonnestelsel kan verklaren, is de ‘Nebular Hypothesis’, of, de Nevelhypothese ( afbeelding 1). Zo’n 4.5 miljard jaar geleden was er op de plek van ons Zonnestelsel enkel een grote, roterende wolk die bestond uit gas en stof (de Presolar Nebula). De temperatuur van de Presolar Nebula was relatief laag, en het gas bestond alleen uit lichte, relatief simpele atomen (waterstof H, Helium He, en een klein beetje Lithium Li). Langzamerhand zorgde de zwaartekracht ervoor dat er in het centrum van de Nebula condensatie van gassen plaatsvond, wat resulteerde in een kern met hoge dichtheid. De snelheid van de rotatie van de Nebula nam tegelijkertijd toe, en zorgde ervoor dat de Nebula werd afgeplat tot een zogenaamde ‘accretion disk’ ( accretieschijf) Zie voor meer uitleg: Wikipedia. Door de toenemende rotatie en gepaarde toename in zwaartekracht, nam de accretie in het centrum van de Nebula toe. Tegelijkertijd zorgde dit voor een toename in temperatuur, waardoor er uiteindelijke een warme kern met hoge dichtheid was gevormd. Zo een kern is niet stabiel en zal op geven moment instorten of imploderen, wat weer zorgt dat er zich nieuwe kernen vormen. Ook deze kernen zullen instabiel worden door de zwaartekracht en imploderen. Dit proces van imploderen, gevolgd door meer accretie duurde ongeveer 1 miljoen jaar en is kenmerkend voor de vorming van nieuwe sterren. Het uiteindelijke resultaat van dit proces was dan ook de geboorte van onze ster: de zon.
Het materiaal wat om de zon heen roteerde, word de ‘planetary disk’ genoemd. Hier klonterde materiaal samen zodat protoplaneten werden gevormd. Door de zwaartekracht trokken deze protoplaneten steeds meer materiaal aan, waardoor ze steeds groter en groter werden en konden uitgroeien tot planeten.
De opbouw van ons zonnestelsel kan makkelijk verklaard worden met behulp van de Nebular Hypothesis. Dicht bij de zon zorgde zonnewinden en de hoge temperatuur ervoor dat lichte gassen verder weg werden geblazen. Vlak bij de zon vormden zich de ‘rocky planets’ oftewel de planeten die zijn opgebouwd uit steen. Dit zijn Mercurius, Venus, Aarde en Mars. Verder weg van de zon vormde de zogenaamde gassy giants, de gasreuzen Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Hoewel dit model dus goed kan verklaren waarom het zonnestelsel op deze manier is opgebouwd, is er echter één probleem; Mars. Volgens alle modellen van sterrenkundigen en geologen zou Mars namelijk veel groter moeten zijn, ook wel Mega Mars genoemd (afbeelding 2). Mars is dus eigenlijk veel te klein voor zijn positie in het zonnestelsel. Dit probleem wordt het Small Mars Problem (het kleine Mars probleem) genoemd.
The Small Mars Problem: de schuld van Jupiter?
Een veelgebruikt model wat het formaat van Mars kan verklaren, is het Grand Tack Model (‘Tack’ verwijst hier naar het overstag gaan wanneer men aan het zeilen is). Het Grand Tack Model laat zien hoe de beweging van Jupiter tijdens de eerste perioden van de formatie van het zonnestelsel invloed heeft gehad op de accretie van Mars (afbeelding 3). In eerste instantie vormde Jupiter zich op een afstand van ongeveer 3 Astronomic Units van de zon (AU, 1 AU= de afstand van de zon tot de Aarde). Echter, tijdens de vorming van de planeet, werd Jupiter ingevangen in een stroom van gas en stof en migreerde dichter naar de zon toe. Jupiter eindigde op ongeveer 1,5 AU van de zon, de plek waar Mars nu staat. Mars bestond toen echter nog niet. Het Grand Tack Model, wat dus refereert naar de migratie van Jupiter, suggereert dat Jupiter op dit moment de bouwstenen van Mars heeft gebruikt, waardoor er minder over was voor Mars om te groeien. Net als Jupiter migreerde Saturnus ook richting de zon. Op gegeven moment ontstond er een interactie tussen deze twee grote, zware planeten die ervoor heeft gezorgd dat beide planeten weer verder weg van de zon migreerden. (Jupiter 5,2 AU en Saturnus in eerste instantie 7 AU. Later is Saturnus door andere krachten gemigreerd naar 9 AU). Toen Mars hierna begon te groeien, was er dus eigenlijk te weinig materiaal om een grote planeet te vormen. Hierdoor is Mars kleiner dan onze planeet Aarde.
De Asteroïdengordel; de reden voor water op Aarde?
Naast het formaat van Mars heeft de migratie van Jupiter en Saturnus ook voor veranderingen in de asteroïdengordel gezorgd. Astroïden vanuit het buitenste deel van het zonnestelsel, voornamelijk bestaande uit ijs, werden met de migratie van Jupiter en Saturnus meegenomen richting de zon en voegde zich samen met de asteroïdengordel die hier voornamelijk uit gesteente bestond. Toen Jupiter en Saturnus weer weg migreerde, gebeurde het tegenovergestelde. De astroïden bestaande uit gesteente werden meegenomen en voegde zich samen met de asteroïdengordel verder weg van de zon. Het wordt verondersteld dat de ijs astroïden verantwoordelijk zijn voor het toevoegen van water aan Aarde en Mars.
Het zonnestelsel blijft een groot mysterie voor de meeste van ons, waaronder ook wetenschappers. Echter komen we stukje bij beetje dichterbij het oplossen van dit mysterie. Met een toename in het aantal ruimtemissies, een groei van het aantal geologen bij instellingen als ESA en NASA en verbeterde technieken valt er steeds meer te begrijpen en ontdekken. Zullen we ooit volledig begrijpen hoe ons universum werkt? Alleen de tijd zal het ons leren…
