Te veel toevalligheden in het zonnestelsel

Samenvatting: Wanneer meerdere vreemde gebeurtenissen gelijktijdig plaatsvinden waarderen wij dat graag als een aanwijzing dat die gebeurtenissen met elkaar samenhangen. Is een dergelijke samenhang echter niet te bevestigen, dan kan met recht de vraag worden gesteld of die gebeurtenissen misschien toch niet zo vreemd zijn als aanvankelijk werd aangenomen. Zo’n situatie geldt in het zonnestelsel voor de planeten Jupiter en Saturnus en hun manen. Hier kunnen meerdere natuurverschijnselen worden waargenomen die van betrekkelijk korte duur zijn. In een oud zonnestelsel is dat onverwacht – gewoon toeval? Aangezien er tussen deze verschijnselen geen zichtbare samenhang bestaat gaat het hier om te veel toevalligheden tegelijkertijd; dus kan de vraag worden gesteld of deze constellatie er indirect op duidt dat het zonnestelsel veel jonger is dan tot dusver aangenomen.

Ongewone gebeurtenissen in het zonnestelsel

In Nature verscheen begin 2013 een artikel onder de titel “Caught in the Act” (Op heterdaad betrapt), waarin gewezen werd op meerdere in die tijd plaatsvindende gebeurtenissen in het zonnestelsel (McKee 2013a). Een Duitse vertaling van het artikel verscheen korte tijd later in Spektrum (McKee 2013b) onder de titel “In flagranti im Sonnensystem”. In het middelpunt van de belangstelling staan de Jupitermaan Io en de ringen en de manen Tital en Enceladus van Saturnus. Die alle laten verschijnselen zien die zeer waarschijnlijk van voorbijgaande aard zijn en van korte duur in vergelijking tot de gewoonlijk aangenomen hoge ouderdom van het zonnestelsel. En dat werpt de vraag op waarom deze bijzondere gebeurtenissen juist nú plaatsvinden, nu wij als mensen in de gelegenheid zijn het mee te maken.

Hierna worden de waarnemingen afzonderlijk uiteengezet en wordt aansluitend bediscussieerd wat het voor het algehele begrip van het zonnestelsel kan betekenen.

De ringen van Saturnus – jong en dynamisch?

Van oudsher worden onderzoekers gefascineerd door de ringen van Saturnus (afb. 1). De brandende vragen “Hoe en wanneer zijn de ringen ontstaan?” en “Welke natuurkundige processen houden het ringenstelsel stabiel?” zijn tot op heden onbeantwoord. Enerzijds gaan de meeste onderzoekers ervan uit dat de ringen al meerdere miljarden jaren oud zijn. Het hoofdargument daarvoor is dat er volgens de gangbare ontstaanstheorie in de begintijd van het zonnestelsel nog vele overblijfselen van de planetenvorming door het zonnestelsel zwermden en één daarvan door de aantrekkingskracht van Saturnus uiteengereten werd en zo het materiaal voor de ringen zou hebben geleverd.

Anderzijds pleiten meerdere factoren tegen een hoge ouderdom van de ringen. Er is geen bevredigende verklaring voor hoe de hoogwaardige fijne structuur van de ringen gedurende miljarden jaren in stand kan worden gehouden. In betrekkelijk korte tijd zullen de ringen vanzelf versmeren en uiteen diffunderen. Een volgend probleem is de lichte kleur, vooral die van de grote middelste B-ring, die op een lage vervuilingsgraad wijst (Cuzzi 2010). Bij een hogere ouderdom moesten de oorspronkelijk lichte ijsdeeltjes door de koolstof houdende stof van kometen en asteroïden al lang donker zijn geworden. Dit is bij de andere bekende, maar minder uitgesproken ringen, om Jupiter, Uranus en Neptunus, het geval. Doch niet bij Saturnus.

Waarom vinden deze bijzondere gebeurtenissen juist plaats nu wij mensen de mogelijkheid hebben ze waar te nemen?

Hoe snel de ringen verdonkeren hangt er helemaal van af hoe groot de deeltjes zijn waaruit de ringen bestaan. Lange tijd werd aangenomen dat de ringen uit vele betrekkelijk kleine brokken waterijs bestonden. Hoe groter deze brokken echter zijn, hoe langer het duurt tot het verdonkeringseffect optreedt. Hierover zal ruimtesonde Cassini hopelijk binnen enkele jaren inlichtingen verschaffen, want het is de bedoeling de sonde aan het eind van de Saturnus-missie in het jaar 2017 door het ringenstelsel heen te sturen om nauwkeurige metingen aan de ringenstructuur te verrichten en zo mogelijk zelfs afzonderlijke brokken direct te fotograferen, wat lange tijd vanwege de betrekkelijk grote afstand niet mogelijk was. Deze actie wordt bewust pas aan het eind van de missie uitgevoerd, omdat er ernstig gevaar van botsing met de ijsbrokken bestaat, wat het einde van Cassini zou betekenen.

Zouden de ringen – zoals lange tijd werd vermoed – inderdaad uit vele kleinere ijsbrokken bestaan, dan zou het ringenstelsel hooguit enige miljoenen jaren oud zijn, eventueel ook veel jonger. Dit is zeer kort in vergelijking tot de aangenomen ouderdom van het zonnestelsel van ± 4,5 miljard jaar. Bijgevolg zien we Saturnus met zijn ringen in een uitzonderingspositie waarin hij zich het grootste deel van zijn bestaan bevond noch bevinden zal.

Io – De geladen maan van Jupiter

De grootste vulkanische activiteit in het zonnestelsel vinden we op Jupiter-maan Io (afb. 3). Io beweegt zich dicht bij Jupiter en is door sterke getijdenwerkingen, die de maan krachtig doorkneden en verhitten, uitgezet. Dit klinkt als een aannemelijke verklaring voor het pokdalige uiterlijk van de maan. Echter, nauwkeurige berekeningen laten zien: de getijdenwerking kan slechts een fractie van het energetisch vermogen verzorgen die nodig is voor de waargenomen activiteit. Dit betekent op zijn beurt dat Io momenteel hyperactief is en dat niet lang kan volhouden. Als verklaring voor de hoge activiteit wordt verondersteld dat de omloopbaan van Io in de loop van de tijd veranderd is en niet al te lang geleden sterk excentrisch was. Daarbij zou dan de getijdenwerking veel extremer zijn geweest. Intussen zou de baan cirkelvormig zijn geworden, maar de maan zelf zou als gevolg van de vroegere sterke getijdenwerking nog letterlijk geladen zijn met energie, en dat zou de oorzaak zijn van de vertoonde activiteit (Lainey, 2009).

Deze verklaring heeft een onaangename kant. Jupiters getijdenkracht werkt alles bij elkaar namelijk stabiliserend op de Io-baan, zo dat die neigt naar een cirkelvorm, zoals waarnemingen van de laatste eeuw bevestigen. Weliswaar verhinderen verstoringen door de naburige manen Ganymedes en Europa dat de baan duurzaam een exacte cirkelvorm aanneemt, maar of zij in staat zijn tegen de getijdenwerking van Jupiter in de baan weer elliptisch te maken is onduidelijk. David Stevenson, planetenonderzoeker aan het California Institute of Technology, veronderstelt dit wel op grond van de hoge activiteit van Io, maar onderbouwt het niet met berekeningen.

Kan het desondanks zo zijn dat een nog onbekende gebeurtenis Io niet al te lang geleden ‘uit zijn baan geworpen’ heeft? Dit moeten we vasthouden: we treffen Io aan op een klaarblijkelijk bijzonder tijdstip in zijn bestaan.

Titan – de Saturnus-maan met het methaanoverschot

De op één na grootste maan in het zonnestelsel is de Saturnus-maan Titan. Dat is na onze eigen Maan de eerste maan waarop een ruimtesonde geland is: Huygens, die aangedokt aan de Saturnus-ruimtesonde Cassini meegevlogen is en op 14 januari 2005 op Titan landde. Op Titan is verbazingwekkend veel methaan aanwezig. Bij een oppervlaktetemperatuur van -180 °C vormt dit methaan zelfs meren en rivieren, die bedrieglijk veel lijken op aardse meren en rivieren. Het methaan regent uit de wolken, die bestaan uit een mengsel van koolwaterstoffen waarvan methaan de eenvoudigste is.

En juist dit maakt de onderzoekers onzeker. De eenvoudige koolwaterstoffen zijn namelijk niet lang stabiel maar verbinden zich na verloop van tijd door zonnestraling tot complexere. Dit betekent weer dat er óf een continue bron moet zijn die de atmosfeer van Titan met verse methaan verrijkt, óf dat een nog onbekende bijzondere gebeurtenis voor het voorhandenzijn van deze methaan verantwoordelijk is, en wij Titan juist in deze buitengewone situatie aantreffen.

Er zijn verscheidene mechanismen voorgesteld die voor een voortdurende aanvoer van methaan in de atmosfeer van Titan verantwoordelijk zouden kunnen zijn. De belangrijkste moeilijkheid daarbij is dat er bronnen binnen in Titan nodig zijn, bijvoorbeeld in de vorm van methaanvulkanen. Deze verklaringspoging lijkt echter eerder op wensdenken dan op feiten te berusten. Zo schrijft bijvoorbeeld Jeff Moore van het NASA Ames Research Center (Moore 2011): “Alle landvormen op Titan, die eenvoudig te identificeren zijn kunnen door exogene processen worden verklaard (wind, stroming, inslagkraters, massabeweging). Voor vroegere mogelijke verklaringen aan de hand van endogeen geproduceerde formaties en rivieren door ijsvulkanisme bestaan geen eenduidige overtuigende bewijzen.”¹ Moore stelt zich daarmee lijnrecht tegenover Rosaly Lopes van het NASA Jet Propulsion Laboratory, dat sedert jaren precies deze ijsvulkaantheorie verdedigt, maar eerlijk toegeeft dat er daarvoor geen eenduidige bewijzen zijn (Lopes 2011). Als Moore het bij het rechte eind heeft is het inderdaad zeer waarschijnlijk dat het voorkomen van methaan op Titan slechts van voorbijgaande aard is en wij ook Titan in een bijzondere toestand aantreffen.

Enceladus – De hyperactieve ijsmaan

Er is nog een Saturnus-maan die opzien baart: Enceladus (afb. 3), bedekt met een ijspantser, spuit uit meerdere geisers aan zijn zuidpool ijs de wereld in een voedt daarmee de buitenste ring van Saturnus, de E-ring. De geisers beschikken gezamenlijk over een vermogen van zo’n 16 gigawatt en precies daar ligt de moeilijkheid: de energie die door radioactiviteit en getijdenwerking van Saturnus in het inwendige van Enceladus wordt vrijgemaakt bedraagt maximaal een tiende van dit vermogen, als dat doorlopend moet worden opgebracht. Zodoende kan Enceladus het huidige vermogen slechts tijdelijk opbrengen. Wat veroorzaakt de ongewone activiteit? Een verklaring luidt dat de getijdenwerking van Saturnus het binnenste van Enceladus gedurende langere tijd verhit, er wordt gesproken over 100 miljoen jaar. Op een dag doet deze energie dan het ijspantser op een dunne plek smelten en ontlaadt zich bijna explosief in de vorm van geisers. Daarna verhit de getijdenwerking het inwendige opnieuw (O‘Neill 2010).

Deze verklaring is echter problematisch, aangezien de ontladingstijdsduren op grond van de ontladingssnelheid veel korter zijn dan oplaadtijdsduren. Bijgevolg betrappen we Enceladus gedurende een bijzondere periode, want de maan zou het grootste deel van zijn bestaan geiserloos zijn. Er zijn weliswaar nog andere alternatieve verklaringen voor de aanwezigheid van geisers, maar die leiden tot dezelfde slotsom: wij zien Enceladus in één van de korte actieve fasen en dat is niet normaal.

Discussie

Vele vragen staan nog open en verdere waarnemingen en onderzoek zullen ongetwijfeld nieuwe inzichten brengen. Het ziet er echter sterk naar uit dat er inderdaad te veel toevalligheden zijn: de kleur en fijne structuur van de ringen van Saturnus, de ongewoon hoge activiteit van Io, de geisers van Enceladus en het methaan op Titan. Wel zijn er voor elk geval afzonderlijk verklaringspogingen (hoewel geen algemeen aanvaarde verklaringen), maar het gelijktijdig voorkomen van al deze verschijnselen roept gewoonweg om een aanzet tot een eenheidsverklaring die deze schijnbaar onafhankelijke zaken verbindt.

Een mogelijke verklaring zou zijn dat het zonnestelsel hooguit even oud is als de typische tijdschalen van de hier beschreven bijzondere gebeurtenissen en daarmee wezenlijk jonger dan tot nu toe werd aangenomen. In dat geval zwakt het bijzondere aan de besproken waarnemingen snel af. De ringen van Saturnus hebben dan nog geen tijd gehad te versmeren en donker te worden. Het methaan van Titan heeft nog geen tijd gehad om afgebroken te worden. Io bevindt zich nog op de weg naar een stabiele baan. En de geisers van Enceladus spuwen eenmalig het energieoverschot van de ontstaanstijd uit.

Een andere mogelijke verklaring zou zijn, als er zich onafhankelijk van de totale leeftijd van het zonnestelsel in het jongste verleden een grotere ramp in het zonnestelsel heeft voorgedaan die voor het ontstaan van de ringen van Saturnus, de geisers en eventueel ook voor het ijspantser op Eneladus, het methaan op Titan en de hyperactiviteit op Io verantwoordelijk zou zijn. En mogelijk voor nog vele andere verschijnselen, zoals indrukwekkende sporen van waterwerking op Mars of het sterk eenzijdige kraterbeeld op Triton, de grootste maan van de planeet Neptunus, evenals op onze eigen Maan. De gangbare theorie over het ontstaan van het zonnestelsel gaat er wel vanuit dat er zo’n catastrofe is geweest, maar dateert dit “grote bombardement” in de vroege fase van het zonnestelsel, miljarden jaren geleden. De hier besproken waarnemingen zouden een aanwijzing kunnen zijn dat men in plaats daarvan moet zoeken naar een catastrofe die pas kort achter ons ligt. Een voor de hand liggende mogelijke verklaring zou zijn het uiteenvallen van een toenmalige planeet tussen Mars en Jupiter, waar nu asteroïden hun baan trekken. Weliswaar gaan de meeste sterrenkundigen ervan uit dat hier nooit een planeet is geweest maar dat Jupiter door gravitatiestoringen de vorming van een planeet tussen Mars en Jupiter verhinderd zou hebben, doch misschien is het tijd deze zienswijze opnieuw te overdenken. In dit verband is het zeker vermeldenswaardig dat de meerderheid van de asteroïden water bevat en asteroïden vaak als leverancier voor het water van de aardoceanen gezien worden. Deze waterhoudendheid zou beschouwd kunnen worden als een aanwijzing dat asteroïden door dezelfde natuurramp zijn ontstaan die verantwoordelijk zou zijn geweest voor de hier besproken gebeurtenissen.

Dit artikel is met toestemming overgenomen uit Studium Integrale Journal. De volledige bronvermelding luidt: Korevaar, P., 2014, Zu viele Zufälle im Sonnensystem, Studium Integrale Journal 21 (1): 29-33 (Artikel).[related includes=”262″]

1. Oospronkelijke tekst: All landforms on Titan that are unambiguously identifiable can be explained by exogenic processes (aeolian, fluvial, impact cratering, and mass wasting). Previous suggestions of endogenically produced cryovolcanic constructs and flows have, without exception, lacked conclusive diagnostic evidence.