De hypothese dat het zonnestelsel is ontstaan ​​uit een gigantische wolk van gas en stof werd voor het eerst geopperd in de tweede helft van de 18e eeuw door de Duitse filosoof Immanuel Kant en verder ontwikkeld door de Franse wiskundige Pierre-Simon de Laplace. Het is nu een consensus onder astronomen. Dankzij de enorme hoeveelheid waarnemingsgegevens, theoretische input en computationele middelen nu beschikbaar, het is voortdurend verfijnd, maar dit is geen lineair proces.

Het is ook niet zonder controverses. Tot voor kort, Men dacht dat het zonnestelsel zijn huidige kenmerken had gekregen als gevolg van een periode van turbulentie die zo'n 700 miljoen jaar na zijn vorming plaatsvond. Echter, sommige van de laatste onderzoeken suggereren dat het vorm kreeg in een verder verleden, op een bepaald moment tijdens de eerste 100 miljoen jaar.

Een studie uitgevoerd door drie Braziliaanse onderzoekers biedt robuust bewijs van deze eerdere structurering. Gerapporteerd in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Icarus , de studie werd ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP. De auteurs zijn allemaal verbonden aan de Engineering School (FEG-UNESP) van de São Paulo State University in Guaratinguetá (Brazilië).

De hoofdauteur is Rafael Ribeiro de Sousa. De andere twee auteurs zijn André Izidoro Ferreira da Costa en Ernesto Vieira Neto, hoofdonderzoeker voor het onderzoek.

"De grote hoeveelheid gegevens die is verkregen door gedetailleerde observatie van het zonnestelsel, stelt ons in staat om met precisie de banen te definiëren van de vele lichamen die rond de zon draaien, Ribeiro zei. "Deze orbitale structuur stelt ons in staat om de geschiedenis van de vorming van het zonnestelsel te schrijven. Ontstaan ​​uit de gas- en stofwolk die de zon zo'n 4,6 miljard jaar geleden omringde, de reuzenplaneten vormden zich in banen dichter bij elkaar en ook dichter bij de zon. De banen waren ook meer coplanair en meer cirkelvormig dan ze nu zijn, en meer onderling verbonden in resonante dynamische systemen. Deze stabiele systemen zijn het meest waarschijnlijke resultaat van de zwaartekrachtdynamiek van planeetvorming uit gasvormige protoplanetaire schijven."

Izidoro gaf meer details:"De vier reuzenplaneten - Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus - kwamen uit de gas- en stofwolk in compactere banen, " zei hij. "Hun bewegingen waren sterk synchroon dankzij resonerende kettingen, waarbij Jupiter drie omwentelingen rond de zon voltooide, terwijl Saturnus er twee voltooide. Alle planeten waren betrokken bij deze synchroniciteit geproduceerd door de dynamiek van de oergasschijf en de zwaartekrachtdynamiek van de planeten."

Echter, door het hele vormingsgebied van het buitenste zonnestelsel, die de zone omvat die zich buiten de huidige banen van Uranus en Neptunus bevindt, het zonnestelsel had een grote populatie planetesimalen, kleine lichamen van rots en ijs beschouwd als de bouwstenen van planeten en voorlopers van asteroïden, kometen en satellieten.

De buitenste planetesimale schijf begon de zwaartekrachtbalans van het systeem te verstoren. De resonanties werden verstoord na de gasfase, en het systeem ging een periode van chaos in waarin de reuzenplaneten heftig op elkaar inwerkten en materie de ruimte in wierpen.

"Pluto en zijn ijzige buren werden de Kuipergordel in geduwd, waar ze zich nu bevinden, en de hele groep planeten migreerde naar banen die verder van de zon verwijderd waren, ' zei Ribeiro.

De Kuipergordel, wiens bestaan ​​in 1951 werd voorgesteld door de Nederlandse astronoom Gerard Kuiper en later werd bevestigd door astronomische waarnemingen, is een toroidale (donutvormige) structuur die bestaat uit duizenden kleine lichamen die rond de zon draaien.

De diversiteit van hun banen is in geen enkel ander deel van het zonnestelsel te zien. De binnenrand van de Kuipergordel begint bij de baan van Neptunus, ongeveer 30 astronomische eenheden (AU's) van de zon. De buitenrand is ongeveer 50 AU van de zon verwijderd. Eén AU is ongeveer gelijk aan de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon.

Terugkomend op de verstoring van synchroniciteit en het begin van de chaotische fase, de vraag is wanneer dit gebeurde - heel vroeg in het leven van het zonnestelsel, toen het 100 miljoen jaar oud of minder was, of veel later, waarschijnlijk ongeveer 700 miljoen jaar nadat de planeten zijn gevormd?

"Tot voor kort, de late instabiliteitshypothese overheerste, Ribeiro zei. "Datering van de maanstenen die door de Apollo-astronauten zijn meegebracht, suggereerde dat ze zijn gemaakt door asteroïden en kometen die tegelijkertijd op het maanoppervlak crashten. Deze ramp staat bekend als het 'Late Heavy Bombardment' van de maan. Als het op de maan is gebeurd, het gebeurde vermoedelijk ook op aarde en de andere terrestrische planeten van het zonnestelsel. Omdat tijdens de periode van planetaire instabiliteit veel materie in de vorm van asteroïden en kometen in alle richtingen in het zonnestelsel werd geprojecteerd, uit de maanstenen werd afgeleid dat deze chaotische periode laat plaatsvond, maar de laatste jaren het idee van een 'late bombardement' van de maan is uit de gratie geraakt."

Volgens Ribeiro, als de late chaotische catastrofe had plaatsgevonden, het zou de aarde en de andere terrestrische planeten hebben vernietigd, of op zijn minst verstoringen veroorzaakten die hen in totaal andere banen zouden hebben gebracht dan we nu waarnemen.

Verder, de maanstenen die door de Apollo-astronauten waren teruggebracht, bleken te zijn geproduceerd door een enkele impact. Als ze waren ontstaan ​​in de late instabiliteit van de reuzenplaneet, er zouden aanwijzingen zijn voor verschillende effecten, gezien de verstrooiing van de planetesimalen door de reuzenplaneten.

“Uitgangspunt voor ons onderzoek was het idee dat de instabiliteit dynamisch moet worden gedateerd. De instabiliteit kan pas later zijn ontstaan ​​als er een relatief grote afstand was tussen de binnenrand van de schijf van planetesimalen en de baan van Neptunus toen het gas was uitgeput. Deze relatief grote afstand bleek onhoudbaar in onze simulatie, ' zei Ribeiro.

Het argument is gebaseerd op een eenvoudig uitgangspunt:hoe korter de afstand tussen Neptunus en de planetesimale schijf, hoe groter de zwaartekracht, en dus hoe vroeger de periode van instabiliteit. Omgekeerd, latere instabiliteit vereist een grotere afstand.

"Wat we deden was voor het eerst de oer-planetensimale schijf vormgeven. Om dit te doen, we moesten terug naar de vorming van de ijsreuzen Uranus en Neptunus. Computersimulaties gebaseerd op een model gebouwd door professor Izidoro [Ferreira da Costa] in 2015 toonden aan dat de vorming van Uranus en Neptunus mogelijk is ontstaan ​​in planetaire embryo's met verschillende aardmassa's. Massale botsingen van deze superaarde zouden verklaren, bijvoorbeeld, waarom Uranus op zijn kant draait, "Ribeiro zei, verwijzend naar Uranus's "kanteling, " met noord- en zuidpolen aan de zijkanten in plaats van aan de boven- en onderkant.

Eerdere studies hadden gewezen op het belang van de afstand tussen de baan van Neptunus en de binnengrens van de planetesimale schijf, maar ze gebruikten een model waarin de vier reuzenplaneten al waren gevormd.

"Het nieuwe van deze laatste studie is dat het model niet begint met volledig gevormde planeten. In plaats daarvan, Uranus en Neptunus zijn nog in de groeifase, en de groeimotor is twee of drie botsingen met objecten met maximaal vijf aardmassa's, ' zei Izidoro.

"Stel je een situatie voor waarin Jupiter en Saturnus worden gevormd, maar we hebben vijf tot tien superaarde in plaats van Uranus en Neptunus. De superaarde wordt door het gas gedwongen om te synchroniseren met Jupiter en Saturnus. maar talrijk zijn, hun synchroniciteit fluctueert, en ze botsen uiteindelijk. De botsingen verminderen hun aantal, synchroniciteit mogelijk maken. Eventueel, Uranus en Neptunus zijn overgebleven. Terwijl de twee ijsreuzen zich in het gas vormden, de planetesimale schijf werd verbruikt. Een deel van de materie werd geaccreteerd naar Uranus en Neptunus, en een deel werd naar de rand van het zonnestelsel gedreven. De groei van Uranus en Neptunus definieerde daarom de positie van de binnengrens van de planetesimale schijf. Wat er nog over was van de schijf is nu de Kuipergordel. De Kuipergordel is in feite een overblijfsel van de oorspronkelijke planetesimale schijf, die ooit veel massiever was."

Het voorgestelde model is consistent met de huidige banen van de reuzenplaneten en met de structuur die is waargenomen in de Kuipergordel. Het is ook in overeenstemming met de beweging van de Trojanen, een grote groep asteroïden die de baan van Jupiter delen en vermoedelijk zijn gevangen tijdens de verstoring van de synchroniciteit.

Volgens een paper gepubliceerd door Izidoro in 2017, Jupiter en Saturnus waren nog in formatie, met hun groei die bijdraagt ​​aan de verplaatsing van de asteroïdengordel. Het nieuwste artikel is een soort vervolg, uitgaande van een stadium waarin Jupiter en Saturnus volledig waren gevormd maar nog steeds gesynchroniseerd, en het beschrijven van de evolutie van het zonnestelsel vanaf dat moment.

"Gravitatie-interactie tussen de reuzenplaneten en de planetesimale schijf veroorzaakte verstoringen in de gasschijf die zich in de vorm van golven verspreidden. De golven produceerden compacte en synchrone planetaire systemen. Toen het gas opraakte, interactie tussen de planeten en planetesimale schijf verstoorde de synchroniciteit en leidde tot de chaotische fase. Dit alles in aanmerking nemend, we ontdekten dat de omstandigheden eenvoudigweg niet bestonden om de afstand tussen de baan van Neptunus en de binnengrens van de planetesimale schijf groot genoeg te laten worden om de hypothese van late instabiliteit te ondersteunen. Dit is de belangrijkste bijdrage van ons onderzoek, waaruit blijkt dat de instabiliteit zich voordeed in de eerste 100 miljoen jaar, en kan zijn gebeurd, bijvoorbeeld, vóór de vorming van de aarde en de maan, ' zei Ribeiro.