2008-02 MIRA Ceti sprak met... Renu Malhotra

Joost van den Vondel wist het reeds treffend te verwoorden: “De wereld is een schouwtoneel, elk speelt zijn rol en krijgt zijn deel.” Dat geldt zo voor het maatschappelijk functioneren, maar evenzeer voor het functioneren van ons zonnestelsel. Over hoe de spelers in dit spel van objecten in beweging rond de Zon mekaar in aanzienlijke mate beïnvloeden, hadden we een gesprek met iemand die op dat vlak belangrijk onderzoek heeft verricht, Renu Malhotra (46 jaar). Haar roots liggen in het Noord-Indische New Delhi, maar voor haar studies natuurkunde kwam zij in 1983 aan de Cornell-universiteit in de Verenigde Staten terecht waar ze promoveerde met een werkstuk over de bewegingen van planeten. Zij is sinds 2000 als professor verbonden aan het Department of Planetary Sciences van de universteit van Arizona (Tucson, USA) en is gespecialiseerd in planeetsystemen in beweging, alsook in hun ontstaan en evolutie.  

 

Professor Malhotra, u hebt baanbrekend onderzoek verricht i.v.m. de evolutie van ons zonnestelsel. Kan u die nieuwe inzichten even toelichten en ook uitleggen hoe u ertoe gekomen bent?

 

Als we een ruwe schets maken van het zonnestelsel, gaan we uit van een centrale ster, de Zon, daaromheen acht grotere objecten die we planeten noemen, en voorts duizenden en duizenden kleinere objecten die hoofdzakelijk geconcentreerd zitten in de zogenaamde asteroïdengordel tussen de banen van de planeten Mars en Jupiter en in een tweede zone buiten de baan van de planeet Neptunus in de buitendelen van het zonnestelsel, de zogenaamde Kuipergordel.

De laatste jaren zijn astronomen die het ontstaan en de evolutie van het zonnestelsel bestuderen zich in toenemende mate gaan interesseren voor die kleinere objecten, en wel om twee redenen. Ten eerste kunnen we via de kleinere objecten veel aan de weet komen over de chemische samenstelling van het jonge zich vormende zonnestelsel omdat de bestanddelen waaruit die kleinere objecten bestaan min of meer in oorspronkelijke toestand zijn gebleven en niet in die mate chemisch en fysisch zijn gewijzigd als het geval is bij de grotere objecten. Ten tweede – en dat is het domein van mijn onderzoek – krijgen we door minutieus te analyseren hoe deze kleinere objecten in het zonnestelsel verspreid zitten een goed zicht op de dynamische processen tijdens de ontstaansperiode en tijdens de verdere evolutie van het zonnestelsel.  

 

En u bent bij dat onderzoek tot verrassende bevindingen gekomen?

 

Jazeker. Als we sinds een tiental jaar een ander beeld hebben van hoe het zonnestelsel ontstaan en geëvolueerd is, komt dat door te kijken naar de ruimtelijke verspreiding van de objecten in de Kuipergordel.

Ik zat zelf zo’n vijftien jaar geleden grondig na te denken over de vele anomalieën i.v.m. Pluto. Voor de gangbare theorieën over de vorming van de planeten in het zonnestelsel was het bestaan van Pluto echt een raadsel. Om te beginnen is er het gegeven dat Pluto veel kleiner is en veel minder massa heeft dan de andere planeten buiten de asteroïdengordel, en in tegenstelling tot Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus ook zonder een wezenlijke atmosfeer. Bovendien is de baan van Pluto ook totaal anders dan die van de andere planeten: niet alleen is het een erg excentrische baan, dus alles behalve cirkelvormig, maar de baan van Pluto staat ook erg geheld t.o.v. het eclipticavlak. En ook belangrijk: Pluto zit gevangen in een 3:2 baanresonantie met Neptunus, d.w.z. dat voor elke drie omwentelingen die Neptunus maakt rond de Zon Pluto er twee maakt. Door deze resonantie blijven beide objecten ook steeds ver uit mekaars buurt zodat de kans op een botsing onbestaande is, zelfs al ligt de baan van Pluto voor een stuk binnen de baan van Neptunus.

Ik had het gevoel dat deze excentrische resonantiebaan van Pluto de sleutel was om te begrijpen hoe Pluto ontstaan is, maar toen ik me op dit probleem begon toe te leggen, bleek het tot mijn grote verrassing vooral relevant i.v.m. het ontstaan van Neptunus. Door proberen te begrijpen hoe Pluto ontstaan was, kwam ik uit bij de hypothese dat Neptunus niet ontstaan was op de plaats waar we deze planeet tegenwoordig rond de Zon zien draaien, maar wel veel dichter bij de Zon. Dat idee leek me eerlijk gezegd bijna een ketterij. Tot dan ging men immers gewoon uit van de veronderstelling dat de reuzenplaneten ontstonden op dezelfde plaats als waar wij ze heden ten dage waarnemen, en op basis van die veronderstelling ging men dan reconstrueren hoe de massa verdeeld zat in de protostellaire materieschijf waaruit ons zonnestelsel zou ontstaan. Maar ondanks het feit dat er wel enig bezwaar was tegen deze theorie van mij werd ze toch gepubliceerd. Ze werd in het begin wel als erg speculatief beschouwd, maar er was wel een belangrijke troef: de theorie deed ook de voorspelling dat niet alleen Pluto in een excentrische resonantiebaan met Neptunus zou zitten, maar ook nog vele andere kleinere objecten uit de buitenzone van het zonnestelsel. Samen met andere onderzoekers berekende ik de verschillende mogelijkheden. Een deel van deze objecten zou eenzelfde 3:2 resonantiebaan hebben als Pluto, een ander deel zou resonantiebanen met Neptunus hebben in de aard van 2:1, 5:2, 7:4, enzovoort. En we hadden geluk, want binnen de kortste keren begonnen astronomen objecten te ontdekken in de Kuipergordel. Dat gebeurde voor het eerst in 1992 toen David Jewitt en Jane Luu 1992 QB1 ontdekten. We zijn nu meer dan vijftien jaar later en intussen zijn er meer dan duizend TNO’s zoals men die noemt, Trans-Neptunian Objects, in die gordel bekend. En bijna de helft daarvan zijn teruggevonden in de excentrische resonantiebanen die wij voorspeld hadden. 

 

Van een succes gesproken! Had de migratie van Neptunus ook invloed op de banen van de andere reuzenplaneten?

 

Zeker. Op basis van de idee dat Neptunus een heel eind dichter bij de Zon ontstaan is, kan berekend worden dat ook Uranus en Saturnus dichter bij de Zon ontstaan zijn dan waar we deze planeten vandaag aantreffen. Jupiter is een ander verhaal: die planeet zou een eind verder weg van de Zon ontstaan zijn en vervolgens een stuk naar binnen gemigreerd zijn.

Om dat allemaal te achterhalen dient een zorgvuldige balans opgemaakt te worden van het hele bewegingssamenspel waar en hoe alle betrokken objecten rond de Zon bewegen en hoe zij mekaar geleidelijk naar hun actuele posities gemanoeuvreerd hebben.

Maar dus op basis van mijn onderzoek naar de bijzondere baan van Pluto kon ik achterhalen dat de reuzenplaneten in een ver verleden veel dichter bij mekaar ontstaan zijn en dat hun banen vervolgens door het migreren weg van de Zon wat betreft Saturnus, Uranus en Neptunus en naar de Zon toe van Jupiter meer verspreid zijn geraakt. En dit is natuurlijk niet zonder belang voor het opstellen van een theorie over het ontstaan van het zonnestelsel en de vorming van de planeten.

 

De ontdekking van planeten bij andere sterren was ongetwijfeld ook erg belangrijk i.v.m. de ideeën over planeetmigraties?

 

Zeer zeker. Sinds 1995 zijn er intussen bijna driehonderd exoplaneten ontdekt, en gek genoeg lijkt het merendeel van die planeten rond hun ster te draaien in banen erg dicht bij de ster zelf. Dat was van in het begin een erg intrigerende kwestie. Om die onverklaarbaar dichte banen toch te kunnen begrijpen stelt de gangbare theorie dat dergelijke planeten verder weg van hun ster ontstaan moeten zijn en vervolgens naar binnen toe gemigreerd zijn.

Het zijn dus best boeiende tijden voor planeetwetenschappers, waarbij het idee van migrerende planeten intussen vrij algemeen aanvaard is en meteen ook een heel nieuw licht werpt op het ontstaan en de evolutie van planeten en andere objecten bij onze Zon en ook bij andere sterren.

Nu wil ik wel benadrukken dat wat ons eigen zonnestelsel betreft, de grootste dynamische evoluties zich voordeden in de eerste tien à twintig procent van het bestaan van het zonnestelsel. Natuurlijk doen er zich nog steeds allerlei dynamische fenomenen voor, maar op kleinere schaal, zodat we over het algemeen mogen stellen dat de objecten in ons zonnestelsel sinds zowat vier miljard jaar over verschillende en relatief stabiele banen verspreid zijn.

 

De kans dat we Jupiter verder doorheen het zonnestelsel zien migreren is dus klein?

 

We kunnen met zekerheid stellen dat we ons op dat vlak geen zorgen hoeven te maken: de baan van Jupiter is momenteel stabiel en zal ook stabiel blijven gedurende de rest van de tijd dat de Zon als hoofdreeksster actief zal zijn. Datzelfde geldt ook voor de banen van de Aarde en van de andere planeten.

 

Het migreren van planeten kan ook een belangrijke rol spelen i.v.m. de leefbaarheid van planeten?

 

Het is essentieel om te begrijpen hoe alles is ontstaan en geëvolueerd tot het zonnestelsel zoals we het vandaag kennen. Als we elders in onze Melkweg kijken naar systemen bij andere sterren, komen we dan te weten of een stelsel zoals het onze typisch is? Kunnen we achterhalen welke de astronomische voorwaarden zijn voor een planeetsysteem om eventueel leven mogelijk te maken?

De migraties van de reuzenplaneten in de beginperiode van ons zonnestelsel kan er zeker toe bijgedragen hebben dat de Aarde een geschikte locatie werd voor leven. Deze dynamische processen zorgden er immers voor dat een aanzienlijk deel van de populatie kleinere objecten weggeduwd werden uit of naar de buitendelen van het zonnestelsel. Je zou het kunnen beschouwen als een soort grote schoonmaak, waarbij het merendeel van de overgebleven planetesimalen van in de beginfase van het zonnestelsel geliquideerd werden. En het zijn net die rondzwervende brokstukken, die overgebleven planetesimalen die een groot risico inhouden voor het leven op Aarde. In de beginperiode van het zonnestelsel gebeurden botsingen zeer frequent, maar sinds de reuzenplaneten via hun migraties voor die grote opruim zorgden verloopt er steeds meer tijd tussen grote inslagen op Aarde die het hele ecosysteem verstoren, maar tegelijkertijd ook kansen inhouden voor nieuwe of andere levensvormen.

 

Hoe is Gerard Kuiper eigenlijk gekomen tot de idee dat er buiten de baan van Neptunus een tweede asteroïdengordel bestaat?

 

Om een antwoord te geven op die vraag maak ik eerst even een ommetje langs de theorie over hoe het zonnestelsel is ontstaan. Daarover zijn we veel aan de weet gekomen door het bestuderen van stervormingsprocessen elders in ons melkwegstelsel. Sterren zoals onze Zon ontstaan door de samentrekking van interstellaire gaswolken. Een kleine hoeveelheid van de massa van die gaswolken bestaat uit stof, d.w.z. vaste deeltjes bestaande uit elementen zwaarder dan waterstof en helium. Bij het ineenstorten ten gevolge van de zwaartekracht evolueert die massa tot een centrale protoster die omringd wordt door een materieschijf. Op een bepaald moment heeft de protoster voldoende massa vergaard uit die schijf om over te gaan tot kernfusie, en wordt ze een volwaardige ster.

Een kleine hoeveelheid van de totale massa van die protostellaire wolk komt uiteindelijk in een baan rond die ster terecht en dit op voldoende grote afstand van de centrale ster t.g.v. een fundamenteel principe: het behoud van draai-impuls. De gaswolk waar het allemaal mee begon had een bepaalde draai-impuls, en die draai-impuls is behouden gebleven tijdens de fase van samentrekking. Dit principe verhindert dat alle massa van de protostellaire wolk in de ster zelf terechtkomt. Als we ons eigen zonnestelsel nemen zoals het er momenteel uitziet, dan stellen we vast dat 99% van de draai-impuls vervat zit in de planeten die rond de Zon bewegen. Het grootste deel zit in Jupiter, maar de rest van de planeten is toch ook nog goed voor een respectabele hoeveelheid draai-impuls. De rondwervelde massa in de oorspronkelijke materieschijf versmolt dus uiteindelijk tot de planeten die we tegenwoordig aantreffen.

Als we nu kijken naar de aard van de planeten en hun gemiddelde soortelijke dichtheid, dan stellen we vast dat er in ons zonnestelsel een duidelijk verschil is tussen de kleinere planeten en de reuzenplaneten, en dit leert ons zeker iets over het ontstaan van die objecten. Dichter bij het centrum van de materieschijf waren er klaarblijkelijk voldoende zwaardere bestanddelen om de kleinere aardachtige planeten te doen ontstaan, terwijl verder weg uit het centrum er voornamelijk lichtere bestanddelen voorhanden waren om de grotere gas- en ijsplaneten te vormen. Maar als we de logica van deze ontstaanstheorie van het zonnestelsel verder zetten, kunnen we uitrekenen hoeveel massa van de protostellaire schijf er zich buiten de baan van de planeet Neptunus zou moeten bevinden. Via een ruwe schatting komen we dan uit bij zo’n twee à drie keer de massa van Neptunus en dit verspreid over een zone vanaf de baan van Neptunus tot twee keer verder, dus tussen zowat  30 en 60 astronomische eenheden.

In de jaren 1940 was er al het werk van de Ierse astronoom Kenneth Edgeworth waarin gespeculeerd werd over het bestaan van een soort bevroren asteroïdengordel buiten de baan van Neptunus, en in 1951 publiceerde Gerard Kuiper, de tot Amerikaan genaturaliseerde Nederlander, zijn bevindingen. Vermits het langer zou duren om zo’n reuzenplaneet daar te vormen dan de 4,6 miljard jaar dat het zonnestelsel al bestaat, stelde hij dat de daar aanwezige objecten niet waren samengeklonterd. De enige reden waarom sterrenkundigen die gordel toen nog niet ontdekt hadden was omdat hij bestaat uit kleine en donkere objecten die te lichtzwak zijn om met de toenmalige telescopen ontdekt te kunnen worden.

Maar er waren zelfs voordien al speculaties geweest over materie in de buitendelen van het zonnestelsel. De Nederlander Jan Hendrik Oort raakte geïntrigeerd door de bijzondere banen die kometen beschrijven. Kometen hebben banen die nog veel excentrischer zijn dan de baan van Pluto of die van de meest excentrische asteroïden. Hij bestudeerde de verspreiding van kometen aan de sterrenhemel door hun baanparameters te vergelijken, en leidde daaruit af dat het zonnestelsel omgeven wordt door een wolk van kleine komeetkernen op afstanden van 2000 à 5000 tot wel 50.000 of zelfs 100.000 astronomische eenheden. Dus het is best wel een uitgestrekt zonnestelsel waarin wij leven.

 

Men beschouwt Jupiter met zijn hele stelsel van ringen en manen soms als een soort minizonnestelsel, is een dergelijke vergelijking terecht?

 

Ja, men doet dat omdat men denkt dat de wijze waarop de individuele reuzenplaneten zijn ontstaan op verschillende vlakken analoog is aan de processen die optreden bij stervorming. Er zijn dus wel zeker gelijkenissen, maar ook essentiële verschillen.

In beide gevallen heb je materie nodig die samenklontert om het hemellichaam in kwestie te vormen, en die samentrekkende materie bezit een bepaalde hoeveelheid draai-impuls. Net zoals de Zon ontstond in het centrum van een ronddraaiende gas- en stofschijf die we de protostellaire schijf noemen, net zo ontstonden Jupiter en Saturnus, wellicht ook Uranus en Neptunus uit een omringende materieschijf, de zogenaamde protoplanetaire schijf. Het overgrote deel van de massa daarvan kwam in de planeten zelf terecht, maar een fractie van die materieschijf evolueerde uiteindelijk tot een stelsel van satellieten rond deze planeten.

Een belangrijk verschil tussen de vorming en de verdere evolutie van de Zon en het systeem dat haar omringt en de vorming en evolutie van b.v. Jupiter en zijn satellieten is dat de totale hoeveelheid draai-impuls van het Jupiterstelsel bijna volledig in het centrale lichaam zit, Jupiter zelf dus, en niet in de satellieten. En dat is precies het omgekeerde van de toestand van de Zon en haar stelsel, zoals we daarnet reeds zagen.

 

Professor Malhotra, een belangrijk deel van uw wetenschappelijk onderzoek is gewijd aan stof. Waarom is stof zo belangrijk?

 

Mijn onderzoek gaat inderdaad over verschillende domeinen binnen de sterrenkunde, en een vijftal jaren geleden ben ik samen met een graduaatstudent beginnen onderzoek verrichten aan stof bij sterren. Het bestuderen van stof bij sterren is een interessante bezigheid, want van alle materiaal dat rond die sterren gegroepeerd zit is stof het makkelijkst waar te nemen. Planeten bij andere sterren kunnen we momenteel nauwelijks zien want planeten zijn vrij duistere objecten. Stofdeeltjes daarentegen hebben een relatief groot oppervlak in verhouding tot hun volume en zullen dus veel meer sterlicht weerkaatsen. Stel dat we de Aarde zouden verbrijzelen tot allemaal stofdeeltjes, dan zou die stofmassa veel meer zonlicht weerkaatsen dan de Aarde normaliter doet. Bijgevolg is zelfs een kleine hoeveelheid stof in een circumstellaire omgeving makkelijker te detecteren dan grotere objecten zoals planeten of asteroïden.

Het waarnemen van stof rond andere sterren is belangrijk want het stof geeft ons een idee waar de planeten, asteroïden of kometen zich in dat stelsel zouden kunnen situeren. Die grotere objecten zelf kunnen we niet rechtstreeks zien, maar we kunnen wel het stof zien dat ontstaat en verstrooid raakt wanneer er botsingen plaatsvinden met andere objecten of met hoge-energiedeeltjes. Het stof zit in zones waar het is ontstaan, maar het zal ook migreren en zich verspreiden omdat het wordt verstoord door de zwaartekracht van de grotere objecten in de buurt, en ook ten gevolge van de straling van de ster in het centrum van het stelsel.

Het stof is het best zichtbaar in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum, en aangezien de Spitzer Space Telescope één van de meest gevoelige instrumenten is voor het detecteren van infraroodstraling afkomstig van ver verwijderde bronnen, is deze ruimtetelescoop een onmisbaar instrument voor ons onderzoek. En na het theoretische werk over hoe we op basis van de verdeling van stof rond jonge sterren en sterren van middelbare leeftijd zoals onze Zon zouden kunnen bepalen waar er in zo’n stelsel planeten en kleinere objecten te vinden zijn, was het best opwindend om met behulp van Spitzer effectief een aantal van dergelijke stelsels te ontdekken met stofconcentraties op welbepaalde plaatsen.  

 

U hebt het ook over de stofcyclus. Wat mag ik me daarbij voorstellen?

 

Iedereen heeft al wel eens ergens gehoord of gelezen dat wij in feite gemaakt zijn uit sterrenstof, en dat is ook zo. Zoals we al eerder stelden is het zonnestelsel met alles erop en eraan ontstaan uit een interstellaire gas- en stofwolk die een kleine vijf miljard jaar geleden is beginnen samentrekken. Een tweede cyclus met de regeneratie van stof begint wanneer de planeten, asteroïden en kometen stofdeeltjes verliezen en in hun omgeving verspreiden. Wanneer de Zon in een verre toekomst evolueert tot rode reuzenster en vervolgens als planetaire nevel heel veel gassen wegblaast, zal op die manier uiteindelijk ook veel stof uit het zonnestelsel in het interstellaire midden terechtkomen. Er is dus inderdaad een stofcyclus en die is erg belangrijk omdat op die manier bijgedragen wordt tot de evolutie van de materie in het sterrenstelsel.

 

Professor Malhotra, ik dank u hartelijk voor het interview en wens u nog veel vruchtbaar onderzoek toe.