Planetesimaal: de bouwstenen van planeten
Stel je een keukentafel voor waarop je met een stofzuiger stof en kruimels bij elkaar veegt. Eerst vormen zich kleine pluizige klontjes, die vervolgens aan elkaar blijven plakken tot grotere brokken. Zo ongeveer ging het ook toen ons zonnestelsel 4,6 miljard jaar geleden ontstond: in een enorme, platte schijf van gas en stof rond de jonge zon botsten en plakten piepkleine deeltjes aan elkaar, tot er kilometers grote brokken rots en ijs ontstonden. Die brokken heten planetesimalen, en ze zijn de tussenstap tussen stof en volwaardige planeten.
Zonder planetesimalen was er geen aarde, geen Mars, geen Jupiter geweest. Ze zijn letterlijk het bouwmateriaal waaruit alle planeten, manen, asteroïden en kometen zijn samengesteld. Sommige planetesimalen zijn nooit uitgegroeid tot iets groters en zwerven nog steeds rond als asteroïde of komeet — ze zijn als het ware fossielen uit de tijd dat het zonnestelsel werd gevormd, en geven wetenschappers een unieke blik op die begintijd.
Wat is het precies?
Een planetesimaal is een vast hemellichaam met een doorsnede van ongeveer één tot enkele honderden kilometers, ontstaan door het samenklonteren van kleinere deeltjes in een protoplanetaire schijf — de draaiende schijf van gas en stof rond een jonge ster. De term zelf komt van 'planet' plus het verkleinende achtervoegsel '-esimaal' (vergelijk 'infinitesimaal'): een planetesimaal is dus letterlijk een 'planeetje'.
Het vormingsproces verloopt in stappen. Eerst plakken microscopisch kleine stofkorreltjes elektrostatisch aan elkaar, ongeveer zoals stof aan een ballon blijft plakken. Zo ontstaan millimeter- tot centimetergrote 'kiezelstenen' (in het Engels 'pebbles'). De volgende stap is lang een raadsel geweest: kiezels van een paar centimeter groot botsen bij hogere snelheden eerder kapot dan dat ze samensmelten. Hoe kom je dan van kiezelsteen naar een brok van tien kilometer?
De meest gangbare verklaring heet tegenwoordig de 'streaming instability' (stromingsinstabiliteit). Kiezels ondervinden wrijving met het omringende gas en klonteren daardoor lokaal samen in dichte, filamentachtige structuren. Wordt de dichtheid in zo'n filament hoog genoeg, dan trekt de eigen zwaartekracht van die stofwolk het geheel ineen tot een planetesimaal — in feite ontstaat een klein hemellichaam in één klap, in plaats van door miljoenen losse botsingen. Deze planetesimalen kunnen vervolgens verder groeien door kleinere kiezels op te vegen ('pebble accretion') of door met elkaar te botsen en samen te smelten, tot er protoplaneten en uiteindelijk volwaardige planeten ontstaan.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar planetesimalen draait niet om een technologie die je kunt bouwen of verkopen, maar om een fundamentele wetenschappelijke vraag: hoe ontstaan planeten, en dus ook hoe is de aarde ontstaan? Astronomen willen de puzzelstukjes vinden die verklaren waarom sommige planeten rotsachtig zijn (zoals aarde en Mars) en andere gasreuzen (zoals Jupiter en Saturnus), en waarom planetenstelsels er zo verschillend uitzien.
Een tweede drijfveer is dat planetesimalen als tijdscapsules dienen. Grotere planeten zijn na hun vorming enorm veranderd door vulkanisme, platentektoniek en verwering. Kleine, onveranderde planetesimalen — de asteroïden en kometen van nu — bewaren daarentegen nog chemische en mineralogische informatie uit de allereerste miljoenen jaren van het zonnestelsel. Door ze te bestuderen, reconstrueren wetenschappers de omstandigheden waarin de aarde en het leven daarop mogelijk werden.
Er is ook een praktisch belang: begrijpen hoe planetesimalen zich gedragen, helpt bij het inschatten van risico's van inslagen op aarde (planetaire verdediging) en bij het beoordelen van de haalbaarheid van toekomstige mijnbouw op asteroïden, waarbij grondstoffen zoals metalen of water uit deze lichamen gewonnen zouden kunnen worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Hoewel je een planetesimaal niet 'bouwt', is er wel veel praktisch onderzoek waarbij ruimtesondes deze objecten van dichtbij bestuderen of zelfs monsters terughalen:
- Rosetta en Philae (ESA, 2014-2016) — de Europese sonde Rosetta bracht de lander Philae naar komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko, een overblijfsel-planetesimaal uit de buitenste delen van het zonnestelsel, en bracht jarenlang metingen van gas, stof en oppervlak.
- Dawn-missie (NASA, 2011-2018) — deze sonde bezocht achtereenvolgens de protoplaneten Vesta en Ceres in de planetoïdengordel, twee 'stukgelopen' planetesimalen die nooit tot volledige planeten uitgroeiden.
- Hayabusa2 (JAXA, 2014-2020) — de Japanse ruimtevaartorganisatie haalde een fysiek monster op van planetoïde Ryugu en bracht dit terug naar de aarde voor laboratoriumanalyse.
- OSIRIS-REx (NASA, 2016-2023) — deze Amerikaanse missie deed hetzelfde bij planetoïde Bennu; de teruggekeerde stofmonsters bevatten koolstofrijke materialen en zelfs bouwstenen voor aminozuren.
- Lucy-missie (NASA, gelanceerd 2021) — onderweg naar de Trojaanse planetoïden, een groep planetesimalen die met Jupiter meereist rond de zon; deze missie moet tot in de jaren 2030 meerdere van deze objecten passeren en fotograferen.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk te onderscheiden tussen twee soorten vooruitgang: het theoretisch begrip van hoe planetesimalen ontstaan, en de technologie om ze in de praktijk te bezoeken en bemonsteren.
Op theoretisch vlak is de streaming-instability-hypothese sinds ongeveer 2005 sterk in populariteit gegroeid en wordt inmiddels breed gedragen door computersimulaties, maar volledig sluitend bewijs ontbreekt nog. Onzeker blijft bijvoorbeeld hoe groot de eerste planetesimalen precies waren toen ze ontstonden, en hoe de omstandigheden verschillen tussen het binnenste (rotsachtige) en buitenste (ijzige) deel van een protoplanetaire schijf. Waarnemingen met de ALMA-radiotelescoop in Chili van jonge sterren met schijven eromheen leveren steeds gedetailleerdere aanwijzingen, maar een planetesimaal in wording is nog nooit rechtstreeks waargenomen — daarvoor zijn ze te klein en te ver weg.
Op het vlak van ruimtevaarttechnologie is er wel duidelijke, meetbare vooruitgang: het is inmiddels routine geworden om kleine hemellichamen te naderen, in kaart te brengen en zelfs monsters terug te halen. Toch blijft elke missie technisch uitdagend, omdat planetesimalen een zwakke zwaartekracht hebben — te zwak om gewoon in een baan te 'landen' zoals bij een planeet, wat aangepaste manoeuvres vereist, zoals de korte 'aanraak-en-ga'-manoeuvre die OSIRIS-REx bij Bennu gebruikte.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar planetesimalen is verspreid over ruimtevaartorganisaties, universiteiten en onderzoeksinstituten wereldwijd. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA speelt een grote rol via missies als Dawn, OSIRIS-REx en Lucy, uitgevoerd in samenwerking met universiteiten zoals de University of Arizona en onderzoeksinstituten als het Southwest Research Institute (SwRI), dat gespecialiseerd is in planetenvorming.
De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA heeft met de Hayabusa-missies een voortrekkersrol in het daadwerkelijk terughalen van planetesimaalmateriaal. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA droeg met Rosetta bij aan komeetonderzoek en werkt aan toekomstige missies naar kleine lichamen, zoals Hera, gericht op de planetoïde Dimorphos.
Op theoretisch vlak zijn onderzoeksgroepen aan onder meer de universiteiten van Lund (Zweden), Leiden (Nederland) en het California Institute of Technology (Caltech, VS) toonaangevend in modellen over planeetvorming en de streaming-instability-theorie. Ook de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), beheerder van de ALMA-telescoop, levert met waarnemingen van jonge planetenstelsels belangrijke input voor dit onderzoeksveld.