Hoewel de aarde al lang in detail is bestudeerd, moeten er nog enkele fundamentele vragen worden beantwoord. Een daarvan betreft de vorming van onze planeet, over wiens begin onderzoekers nog onduidelijk zijn. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van ETH Zürich en het National Center of Competence in Research PlanetS stelt nu een nieuw antwoord op deze vraag voor op basis van laboratoriumexperimenten en computersimulaties. De onderzoekers hebben hun studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy .

Een onverklaarbare discrepantie

"De heersende theorie in astrofysica en kosmochemie is dat de aarde is gevormd uit chondritische asteroïden. Dit zijn relatief kleine, eenvoudige blokken gesteente en metaal die zich vroeg in het zonnestelsel hebben gevormd", legt de hoofdauteur van het onderzoek, Paolo Sossi, hoogleraar Experimentele Planetologie aan de ETH Zürich. "Het probleem met deze theorie is dat geen enkel mengsel van deze chondrieten de exacte samenstelling van de aarde kan verklaren, die veel armer is aan lichte, vluchtige elementen zoals waterstof en helium dan we hadden verwacht."

Om deze discrepantie te verklaren zijn in de loop der jaren verschillende hypothesen naar voren gebracht. Er werd bijvoorbeeld gepostuleerd dat de botsingen van de objecten die later de aarde vormden, enorme hoeveelheden warmte produceerden. Hierdoor verdampten de lichte elementen, waardoor de planeet in zijn huidige samenstelling achterbleef.

Sossi is er echter van overtuigd dat deze theorieën ongeloofwaardig worden zodra je de isotopensamenstelling van de verschillende elementen van de aarde meet:"De isotopen van een chemisch element hebben allemaal hetzelfde aantal protonen, zij het verschillende aantallen neutronen. Isotopen met minder neutronen zijn dat wel. lichter en zou dus gemakkelijker moeten kunnen ontsnappen. Als de theorie van verdamping door verwarming correct zou zijn, zouden we vandaag minder van deze lichtisotopen op aarde vinden dan in de oorspronkelijke chondrieten. Maar dat is precies wat de isotopenmetingen niet laten zien. "

Een kosmische smeltkroes

Het team van Sossi zocht daarom naar een andere oplossing. "Dynamische modellen waarmee we de vorming van planeten simuleren, laten zien dat de planeten in ons zonnestelsel progressief zijn gevormd. Kleine korrels groeiden in de loop van de tijd uit tot planetesimalen van kilometers grootte door steeds meer materiaal op te hopen door hun zwaartekracht", legt Sossi uit. Net als chondrieten zijn planetesimalen ook kleine lichamen van steen en metaal. Maar in tegenstelling tot chondrieten zijn ze voldoende verwarmd om te differentiëren in een metalen kern en een rotsachtige mantel. "Bovendien kunnen planetesimalen die zich in verschillende gebieden rond de jonge zon of op verschillende tijdstippen hebben gevormd, zeer verschillende chemische samenstellingen hebben", voegt Sossi eraan toe. De vraag is nu of de willekeurige combinatie van verschillende planetesimalen daadwerkelijk resulteert in een samenstelling die overeenkomt met die van de aarde.

Om daar achter te komen, voerde het team simulaties uit waarin duizenden planetesimalen in het vroege zonnestelsel met elkaar in botsing kwamen. De modellen zijn zo ontworpen dat in de loop van de tijd hemellichamen werden gereproduceerd die overeenkomen met de vier rotsplaneten Mercurius, Venus, Aarde en Mars. De simulaties laten zien dat een mengsel van veel verschillende planetesimalen daadwerkelijk zou kunnen leiden tot de effectieve samenstelling van de aarde. Bovendien is de samenstelling van de aarde zelfs de statistisch meest waarschijnlijke uitkomst van deze simulaties.

Een blauwdruk voor andere planeten

"Hoewel we het al vermoedden, vonden we dit resultaat toch zeer opmerkelijk", herinnert Sossi zich. "We hebben nu niet alleen een mechanisme dat de vorming van de aarde beter verklaart, maar we hebben ook een referentie om de vorming van de andere rotsplaneten te verklaren", zegt de onderzoeker. Het mechanisme zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om te voorspellen hoe de samenstelling van Mercurius verschilt van die van de andere rotsplaneten. Of hoe rotsachtige exoplaneten van andere sterren zouden kunnen zijn samengesteld.

"Onze studie laat zien hoe belangrijk het is om zowel de dynamiek als de chemie in overweging te nemen bij het begrijpen van planetaire vorming", merkt Sossi op. "Ik hoop dat onze bevindingen zullen leiden tot een nauwere samenwerking tussen onderzoekers op deze twee gebieden." + Verder verkennen

Waarom is er water op aarde?