Een beeld van de 'bevroren sneeuwman' Arrokoth, genomen door de ruimtesonde New Horizons.
NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute, National Optical Astronomy Observatory

New Horizons en Arrokoth: prille ontstaan van planeten verliep zachtjes, niet gewelddadig

Nieuwe gegevens van de New Horizons-missie van de NASA bieden nieuwe inzichten in hoe de planeten en planetesimalen - de bouwstenen van planeten - ontstaan zijn. De data maken blijkbaar een einde aan een langlopende discussie over het ontstaan van planetesimalen: die zijn ontstaan door een traag en zacht proces en niet door gewelddadige, heftige botsingen. De NASA noemt het een belangrijke vooruitgang in onze kennis over hoe de planeten zelf ontstaan zijn. 

De New Horizons ruimtesonde is op 1 januari 2019 langs het oude Kuipergordelobject Arrokoth gevlogen, en ze bood daarmee de mensheid de eerste blik van dichtbij op een van de ijzige overblijfselen van de vorming van ons zonnestelsel. Die objecten zitten in de Kuipergordel, een enorme ring die voorbij de omloopbaan van Neptunus ligt. 

Arrokoth ligt op een afstand van 6,6 miljard kilometer van de zon en draait in 293 jaar in een baan rond onze ster. Het is zo'n 36 kilometer lang, 20 kilometer breed en 10 kilometer dik. Omdat het uit twee lobben bestaat die aan elkaar zitten, wordt het wel vergeleken met een sneeuwman. 

Het object heette oorspronkelijk, toen het ontdekt werd, (486958) 2014 MU69 en kreeg de bijnaam 'Ultima Thule'. Aangezien die eeuwenoude naam door de nazi's gebruikt werd als naam van de mythologische geboorteplaats van het Arische ras, kwam daar echter protest tegen en het New Horizons-team stelde daarop 'Arrokoth' voor. Dat betekent 'hemel' in de taal van de Powhatan-indianen en in november keurde de International Astronomical Union die naam goed. 

In mei van vorig jaar publiceerde het team een eerste reeks studies, gebaseerd op zo'n 10 procent van de data die New Horizons verzameld had en - gezien de grote afstand - mondjesmaat naar de aarde gestuurd had. 

Nu heeft het team opnieuw drie studies gepubliceerd, na een analyse van veel meer gegevens dan voor de eerste publicaties gebruikt werden, en de resultaten zijn ook meegedeeld op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science in Seattle. 

Weergave van de Kuipergordel, een enorme ring van bevroren objecten. De gele baan is die van de dwergplaneet Pluto, de buitenste witte baan die van Neptunus.
NASA

Twee modellen voor de vorming van planetesimalen

"Arrokoth is het meest verafgelegen, meest primitieve en meest ongerepte object dat ooit onderzocht is door een ruimtetuig, en we wisten dus dat het een uniek verhaal te vertellen zou hebben", zei Alan Stern, de hoofdonderzoeker van New Horizons. "Het leert ons hoe planetesimalen gevormd werden, en we denken dat dit resultaat een aanzienlijke vooruitgang betekent voor onze kennis over de vorming van planetesimalen en planeten." 

De eerste beelden van de dichte nadering die verleden jaar door New Horizons werden verstuurd, toonden dat Arrokoth bestond uit twee met elkaar verbonden, ongelijke delen, een glad oppervlak had en een gelijkmatige samenstelling. Dat wees erop dat het waarschijnlijk ongerept was en doorslaggevende informatie zou kunnen verschaffen over hoe dergelijke lichamen gevormd zijn. 

In de loop van de volgende maanden, met behulp van meer gegevens met een hogere resolutie en gesofisticeerde computersimulaties, vormde het team zich een duidelijker beeld van hoe Arrokoth gevormd moet zijn. Arrokoth is wat men een 'contact binair' noemt, een object bestaande uit twee delen die elkaar raken. De analyse van het team wees uit dat die twee delen ooit aparte lichamen waren die dicht bij elkaar gevormd waren,  in een baan om elkaar gedraaid hebben tegen een lage snelheid en dan zachtjes samengekomen zijn om het 36 kilometer lange object te vormen dat New Horizons nu geobserveerd heeft.  En dat biedt een antwoord op een belangrijke discussie over het ontstaan van het zonnestelsel. 

Een planetenstelsel ontstaat als een deel van een enorme moleculaire wolk in de ruimte instort, in elkaar klapt, door zijn eigen zwaartekracht. Het grootste deel van de materie zit in het centrum van die zonnenevel en vormt de ster - de massa van onze zon is goed voor 99,86 procent van de gehele massa van ons zonnestelsel -, terwijl de rest van de oorspronkelijk bolvormige nevel afgeplat wordt tot een protoplanetaire schijf waaruit de planeten en andere hemellichamen in het stelsel gevormd worden. Hoe dat precies gebeurt, daar bestaat onenigheid over.

Er zijn immers twee theorieën over het ontstaan van planeten. De oudste, al lang bestaande theorie is het hiërarchische accretiemodel (hierarchical accretion model) voor de vorming van planetesimalen.

Dat zijn de bouwstenen van planeten, en veel planetesimalen zijn samengeklonterd tot steeds grotere klompen en uiteindelijk tot planeten. Andere planetesimalen zijn op een bepaald ogenblik gestopt met groeien, bij gebrek aan materiaal om te verzamelen, en Arrokoth is daar een voorbeeld van. 

Volgens het hiërarchische accretiemodel ontstaan planetesimalen als verschillende delen van de zonnenevel - de wolk van gas en stof waaruit de zon en de planeten ontstaan zijn -  op een gewelddadige manier op elkaar botsen. 

Een tweede, jongere theorie is het instortende deeltjeswolkmodel (particle cloud collapse model) of kiezelaccretiemodel (pebble accretion model). Dat stelt dat deeltjes uit hetzelfde gebied langzaam en zachtjes samenklonteren nadat de zonnenevel is ingestort onder zijn eigen zwaartekracht. 

Een voorstelling van de ruimtesonde New Horizons in de ruimte.
NASA/Johns Hopkins Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Instortende deeltjeswolk

De nieuwe gegevens van New Horizons wijzen erop dat Arrokoth gevormd werd tijdens de door de zwaartekracht veroorzaakte instorting van een wolk van vaste deeltjes in de primordiale zonnenevel, en niet zoals beschreven in de rivaliserende theorie van de hiërarchische accretie. Zoals gezegd klonteren de deeltjes in het instortende deeltjeswolkmodel zachtjes samen en groeien de planetesimalen langzaam aan, in tegenstelling tot de botsingen aan een hoge snelheid uit het hiërarchische accretiemodel. 

"Net zoals fossielen ons vertellen hoe soorten op aarde geëvolueerd zijn, zo vertellen planetesimalen ons hoe planeten gevormd worden in de ruimte", zei William McKinnon, een onderzoeker bij het New Horizons-project en de belangrijkste auteur van de studie over de vorming van Arrokoth die nu is verschenen. "Arrokoth ziet er uit zoals het er uit ziet, niet omdat het gevormd is door hevige botsingen, maar omdat het gevormd is in wat meer een complexe dans lijkt, waarin zijn samenstellende onderdelen traag een baan rond elkaar beschreven hebben voor ze samen zijn gekomen." 

Twee andere belangrijke bewijsstukken ondersteunen deze conclusie. De gelijkmatige kleur en samenstelling van het oppervlak van Arrokoth, dat bestudeerd wordt in de tweede nieuwe studie, tonen dat het Kuipergordelobject gevormd is uit nabijgelegen materiaal, zoals de modellen voor een lokale instorting van de deeltjeswolk voorspellen, eerder dan uit een mengelmoes van materiaal uit meer uit elkaar gelegen delen van de zonnenevel, zoals de hierarchische modellen voorspellen.

 De afgevlakte vormen van elk van de lobben waaruit Arrokoth bestaat - de onderzoekers vergelijken de vorm met die van M&M's - en het feit dat de polen en de evenaars van de twee delen opvallend dicht op één lijn liggen, wijzen ook op een meer rustige samensmelting uit een instortende wolk. Bovendien wijst het gladde oppervlak met slechts weinig kraters erop dat het oppervlak van Arrokoth goed bewaard is gebleven sinds het einde van de periode van planeetvorming. Arrokoth zou uit die periode stammen en meer dan 4 miljard jaar oud zijn.

"Arrokoth heeft de fysische kenmerken van een lichaam dat traag is samengekomen, met 'lokale' materialen in de zonnenevel", zei Will Grundy, een teamleider bij New Horizons en de belangrijkste auteur van de derde nieuwe studie. "Een object als Arrokoth zou nooit gevormd zijn geworden, of eruit zien zoals het eruit ziet, in een meer chaotische accretie-omgeving." 

De drie nieuwe studies over Arrokoth zijn gebaseerd op 10 keer meer gegevens dan de eerdere studies uit mei 2019, en samen geven ze een veel vollediger beeld van het ontstaan van Arrokoth. 

"Al de bewijzen die we gevonden hebben, wijzen op instortende deeltjeswolk-modellen en sluiten hierachische accretie zo goed als uit als de manier waarop Arrokoth gevormd zou zijn, en door deductie ook andere planetesimalen", zei Stern. 

Wetenschappers hebben alle beschikbare beelden van Arrokoth gebruikt die New Horizons vanuit verschillende hoeken heeft gemaakt, om de 3D-vorm van het object vast te stellen. Die is te zien in deze animatie, waarop ook de polen en de evenaars aangeduid zijn. De afgeplatte vorm van elk van de twee lobben, en ook het feit dat de polen en de evenaars van de twee delen zo goed als op één lijn liggen, wijzen erop dat de twee delen zachtjes samengesmolten zijn, en op een rustige manier gevormd zijn uit een instortende deeltjeswolk. (Video: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/James Tuttle Keane) 

Opvallende rode kleur

De derde nieuwe studie gaat over de merkwaardige rode kleur van Arrokoth. De planetesimaal is volledig bedekt met methanolijs en wat 'ultrarode materie' genoemd wordt, het roodste van nature voorkomende materiaal. 

Het is niet duidelijk om welk materiaal het precies gaat, wel dat het complexe organische moleculen zijn die waarschijnlijk de rode kleur geven. Met de beperkte gegevens die New Horizons kon verzamelen over het spectrum van de moleculen was het niet mogelijk ze precies te identificeren. 

Ook de gelijkmatige kleur van het oppervlak ondersteunt de stelling dat Arrokoth ontstaan is in een zeer beperkt gebied. 

Volgens Will Grundy, de belangrijkste auteur van de derde studie, zou Arrokoth er voor een menselijk oog minder rood uitzien en eerder donkerbruin.   

(Lees verder onder de foto)

Arrokoth heeft een opvallende rode kleur omdat het bedekt is met 'ultrarode materie', het roodste in de natuur voorkomende materiaal, dat in de Kuipergordel gevonden wordt.
NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Roman Tkachenko

Nog een flyby?

Na de 'flyby', de dichte nadering, van Arrokoth is New Horizons verder dieper in de Kuipergordel gevlogen aan een snelheid van meer dan 50.000 km/u en de ruimtesonde is nu een 500 miljoen kilometer van Arrokoth en 7,1 miljard kilometer van de aarde verwijderd. New Horizons voert nog steeds waarnemingen uit van Kuipergordelobjecten die het van ver passeert, en de sonde brengt nog steeds het stof en de straling van geladen deeltjes in de Kuipergordel in kaart. 

New Horizons is nu te ver van de objecten die het waarneemt om nog ontdekkingen te kunnen doen zoals dat bij Arrokoth het geval was, maar het team kan wel bepaalde aspecten van de objecten meten, zoals hun vorm en de eigenschappen van het oppervlak. 

Deze zomer zal het team grote grondtelescopen gebruiken om naar nieuwe Kuipergordelobjecten te zoeken die op deze manier bestudeerd kunnen worden, en misschien zelfs naar een doel voor een nieuwe flyby, als de brandstof van New Horizons dat toelaat. 

De nieuwe studies van het New Horizons-team zijn gepubliceerd in Science en u vindt ze hier, hier en hier. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de NASA en een telex van het persbureau Associated Press.  

Meest gelezen