Een internationaal team van onderzoekers van de Universiteit van Oxford, LMU München, ETH Zürich, BGI Bayreuth, en de Universiteit van Zürich ontdekte dat een tweestaps vormingsproces van het vroege zonnestelsel de chronologie en splitsing in vluchtige en isotopeninhoud van het binnenste en buitenste zonnestelsel kan verklaren.

Hun bevindingen worden gepubliceerd in Wetenschap .

Het artikel presenteert een nieuw theoretisch raamwerk voor de vorming en structuur van het zonnestelsel dat verschillende belangrijke kenmerken van de terrestrische planeten (zoals de aarde, Venus, en Mars), buitenste zonnestelsel (zoals Jupiter), en samenstelling van asteroïden en meteoriet families. Het werk van het team is gebaseerd op en verbindt recente ontwikkelingen in de astronomie (namelijk observaties van andere zonnestelsels tijdens hun vorming) en meteoritica-laboratoriumexperimenten en analyses op de isotoop, ijzer, en het watergehalte in meteorieten.

De voorgestelde combinatie van astrofysische en geofysische verschijnselen tijdens de vroegste vormingsfase van de zon en het zonnestelsel zelf kan verklaren waarom de planeten in het binnenste zonnestelsel klein en droog zijn met weinig massa water, terwijl de buitenste planeten van het zonnestelsel groter en nat zijn met veel water. Het verklaart het meteorietrecord door planeten te vormen in twee verschillende stappen. De binnenste terrestrische protoplaneten groeiden vroeg aan en werden intern verwarmd door sterk radioactief verval; dit droogde ze uit en spleet de binnenkant, droog van buiten, natte planetaire bevolking. Dit heeft verschillende implicaties voor de distributie en noodzakelijke vormingsomstandigheden van planeten zoals de aarde in planetaire systemen buiten het zonnestelsel.

De numerieke experimenten uitgevoerd door het interdisciplinaire team toonden aan dat de relatieve chronologieën van vroege aanvang en langdurige beëindiging van aanwas in het binnenste zonnestelsel, en een later begin en snellere aanwas van de buitenste planeten van het zonnestelsel kan worden verklaard door twee verschillende vormingsperioden van planetesimalen, de bouwstenen van de planeten. Recente waarnemingen van planeetvormende schijven toonden aan dat schijfmiddenvlakken, waar planeten ontstaan, kan relatief weinig turbulentie hebben. Onder dergelijke omstandigheden kunnen de interacties tussen de stofkorrels die zijn ingebed in het schijfgas en het water rond de orbitale locatie waar het overgaat van de gas- naar de ijsfase (de sneeuwgrens) een vroege formatie-uitbarsting van planetesimalen in het binnenste zonnestelsel veroorzaken en nog een later en verder weg.

De twee verschillende formatie-episodes van de planetesimale populaties, die verder materiaal van de omringende schijf aanwast en via onderlinge botsingen, resulteren in verschillende geofysische modi van interne evolutie voor de vormende protoplaneten. Dr. Tim Lichtenberg van de afdeling Atmosferische, Oceanic and Planetary Physics aan de Universiteit van Oxford en hoofdauteur van de studie merkt op:"De verschillende vormingstijdsintervallen van deze planetesimale populaties betekenen dat hun interne warmtemotor van radioactief verval aanzienlijk verschilde. Planetesimalen in het binnenste zonnestelsel werden erg heet, ontwikkelde interne magma-oceanen, snel gevormde ijzerkernen, en ontgast hun aanvankelijke vluchtige inhoud, wat uiteindelijk resulteerde in droge planeetcomposities. In vergelijking, planetesimalen in het buitenste zonnestelsel werden later gevormd en ondervonden daardoor aanzienlijk minder interne verwarming en daarom beperkte ijzerkernvorming, en vluchtige afgifte.

"Het vroeg gevormde en droge binnenste zonnestelsel en het later gevormde en natte buitenste zonnestelsel werden daarom al heel vroeg in hun geschiedenis op twee verschillende evolutionaire paden gezet. Dit opent nieuwe wegen om de oorsprong van de vroegste atmosferen van de aarde te begrijpen - zoals planeten en de plaats van het zonnestelsel in de context van de exoplanetaire volkstelling in de melkweg."

Dit onderzoek werd ondersteund door financiering van de Simons Collaboration on the Origins of Life, de Zwitserse National Science Foundation, en de Europese Onderzoeksraad.

De volledige studie, "Bifurcatie van planetaire bouwstenen tijdens de vorming van het zonnestelsel, " verschijnt op 22 januari 2021 in Wetenschap , 371, 6527.