De grote mysteries van het universum draaien vaak om verre, onzichtbare fenomenen. Wetenschappers puzzelen over onverklaarbare uitbarstingen van radiogolven, de ongrijpbare aard van zwaartekracht en of donkere energie de kosmos doordringt. Maar andere raadsels kunnen worden gevonden in onze eigen hoek van de melkweg, ons recht in het gezicht staren - zoals hoe de aarde de planeet werd die ze vandaag is.
Deze vraag blijft onderzoekers fascineren die proberen te begrijpen hoe de aarde is ontstaan en waarom het zo geschikt is om het leven te hosten. Het had anders kunnen zijn - kijk maar naar onze naaste buur en bijna tweeling, Venus, die geen vloeibaar water heeft en wiens oppervlak een zinderende 870 graden Fahrenheit is. "Venus en aarde zijn een soort van de ultieme controlegeval, " zegt Sue Smrekar van Jet Propulsion Laboratory van NASA. "We begrijpen niet helemaal hoe de aarde zo bewoonbaar is geworden en Venus zo onbewoonbaar."
Dat is een beetje verrassend, gezien het feit dat de aarde verreweg de best bestudeerde planeet in het universum is. Maar geologische processen zoals platentektoniek recyclen voortdurend bewijs van het verleden, en veel van de kritieke informatie over de samenstelling van de aarde ligt verborgen in zijn enorme, ontoegankelijke diepten. "Je probeert een planeet te begrijpen die je alleen aan de oppervlakte kunt proeven", zegt James Badro, een geofysicus aan het Institute of Earth Physics in Parijs. Hoewel wetenschappers een schat aan kennis hebben verzameld door het bestuderen van de grond onder onze voeten, is het volledige verhaal van de constructie en evolutie van de aarde onbekend.
Dus hebben onderzoekers zich tot de hemel gewend om hulp. Ze hebben andere sterrenstelsels bestudeerd op zoek naar aanwijzingen en zochten naar de bouwstenen van de aarde tussen het afval van het zonnestelsel. Nu kan een reeks geplande en voorgestelde ruimtemissies wetenschappers helpen meer ontbrekende stukjes in te vullen.
Van het bestuderen van nieuwe aspecten van protoplanetaire lichamen tot het uitzoeken waar ze vandaan komen en hoe ze met elkaar zijn vermengd, onderzoekers hopen de processen van planetaire vorming die de aarde hebben gecreëerd vast te leggen. Voor velen is het evenzeer een filosofische zoektocht als een wetenschappelijke. "Het is een kwestie van onze oorsprong", zegt Badro.
Een artist's impression van een voorgestelde missie naar Psyche, een asteroïde waarvan gedacht wordt dat deze volledig van metaal is. (NASA / JPL-Caltech) De meeste onderzoekers zijn het nu eens over de algemene geschiedenis van ons zonnestelsel. Het begon 4, 6 miljard jaar geleden, toen een enorme wolk van gas en stof die in de ruimte zweefde op zichzelf instortte, misschien veroorzaakt door de schokgolf van een nabijgelegen supernova. De afgeplatte wolk draaide toen in een draaiende schijf waaruit - ongeveer 100 miljoen jaar later - ons zonnestelsel min of meer in zijn huidige staat tevoorschijn kwam: de zon omringd door acht planeten en ontelbare kleinere lichamen verspreid over.
De fijnere details over hoe onze kosmische buurt is gevormd, blijven echter omstreden. Wetenschappers debatteren bijvoorbeeld nog steeds waar de planeten van zijn gemaakt. "We weten hoe de taart eruit ziet", zegt Lindy Elkins-Tanton van de Arizona State University, "maar we willen graag weten hoe al die individuele ingrediënten er ook uitzien", zegt ze.
Wetenschappers denken dat de aardse planeten groeiden door kleinere planetesimals op te slokken - objecten tot tientallen kilometers in diameter die zich ophopen uit protoplanetair stof. Maar de samenstelling en structuur van die planetesimals is moeilijk te bepalen. Het bestuderen van onze verzameling meteorieten - fragmenten van asteroïden die op aarde zijn gevallen - is een goede plek om te beginnen, zegt Francis Nimmo, een planeetwetenschapper aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. Maar het is niet genoeg.
Dat komt omdat we niet noodzakelijk voorbeelden hebben van alles wat in de planeten is gegaan - sommige componenten kunnen ontbreken of helemaal niet meer bestaan. Sommige meteorieten lijken een behoorlijke match voor de aarde, maar wetenschappers kunnen geen combinatie van meteoriettypen bedenken die de chemische samenstelling van de aarde volledig verklaart. "Dit is een beetje ongemakkelijk omdat het betekent dat we niet echt weten hoe de aarde is samengesteld", zegt Nimmo.
Elkins-Tanton hoopt dat een voorgestelde toekomstige missie - een van de vijf finalisten voor het Discovery-programma van NASA - misschien kan helpen. Het project, geleid door Elkins-Tanton, zou een onbemand ruimteschip sturen om een object te bezoeken genaamd Psyche, dat zich in de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter bevindt. Psyche is ongeveer 150 mijl breed en, op basis van externe waarnemingen van de dichtheid en de samenstelling van het oppervlak, lijkt te zijn gemaakt van massief metaal. Het kan ook lijken op de bouwstenen van de aarde.
"Dit zou de kleine kern van een lichaam kunnen zijn dat werd gevormd in het aardse planeetvormende gebied en net werd geraakt door een heleboel andere dingen en de rotsachtige buitenkant ervan werd verwijderd, " zegt Elkins-Tanton. Tijdens de Dawn-missie van NASA bestudeerden wetenschappers de asteroïde Vesta, een protoplanet dat waarschijnlijk ook in de buurt van de aarde werd gevormd en vervolgens in de asteroïdengordel werd geschopt. Het is echter de unieke gelegenheid om te zien wat zich onder het oppervlak van objecten zoals Vesta bevindt waar Elkins-Tanton enthousiast van is.
"Psyche is het enige lichaam in het zonnestelsel waarmee we een metalen kern direct kunnen waarnemen", zegt ze. "Dit zou onze enige kans kunnen zijn om naar dit soort ingrediënt te kijken." Samen met de andere Discovery-finalisten zullen Elkins-Tanton en haar collega's in september ontdekken of de missie is geslaagd.
Volgens het klassieke model van planetaire vorming, begonnen planetesimals eenmaal de grootte van Psyche te bereiken - tientallen tot honderden kilometers breed - en begonnen ze hun buren te kannibaliseren, zegt Kevin Walsh, een planetaire wetenschapper aan het Southwest Research Institute in Boulder, Colorado. "De grootste groeien echt snel, " zegt hij, dankzij hun toenemende zwaartekracht.
Dit proces van weggelopen aangroei zou het aantal lichamen in het zonnestelsel hebben weggegooid tot misschien wel honderd maan- tot Mars-formaat planetaire embryo's en een klein beetje kleiner puin. Na verloop van tijd werden deze embryo's langzaam gecombineerd om planeten te vormen.
Maar hoewel deze verklaring goed werkt voor de aardse planeten, zoals geologisch bewijs suggereert gevormd in de loop van 30 tot 100 miljoen jaar, vormt het een probleem voor de gasreuzen zoals Jupiter. Wetenschappers denken dat de kernen van deze lichamen veel sneller moesten groeien - snel genoeg om hun enorme atmosfeer vast te leggen uit het gas dat aanwezig was in het vroege zonnestelsel, dat in slechts een paar miljoen jaar verdween.
In het afgelopen decennium hebben onderzoekers een alternatief mechanisme ontwikkeld voor het kweken van planeten, bekend als kiezelaanslag. Het vertegenwoordigt een grimmige afwijking van het conventionele accretiemodel, waarin objecten gecombineerd worden om steeds grotere deeltjes te vormen. Of, zoals Hal Levison, Walsh's collega, het verwoordt: "Kiezels maken keien en keien maken bergen - helemaal omhoog." Pebble accretie, daarentegen, voorspelt dat objecten groeien van vuistgrote brokken tot Pluto-formaat lichamen bijna onmiddellijk en blijf dan massa winnen, zegt Levison, die de hypothese heeft helpen ontwikkelen.
Het proces zou kort na de vorming van de protoplanetaire schijf zijn begonnen, toen stukjes stof dat rond de jonge zon cirkelde in botsing kwamen en aan elkaar kleven, zoals gesynchroniseerde schaatsers die handen samenvoegen terwijl ze een ijsbaan cirkelden. Uiteindelijk zouden aerodynamische en zwaartekrachten grote clusters van deze kiezelstenen bij elkaar hebben getrokken, waardoor planetesimalen werden gevormd. De planetesimals bleven toen de resterende kiezelstenen om hen heen opvegen, snel groeiend totdat ze planeten vormden.
Naast de vraag hoe gasreuzen zo snel groeiden, biedt het model ook een manier om iets te overwinnen dat de metergrote barrière wordt genoemd, die modellen van planetaire aangroei heeft geplaagd sinds het voor het eerst in de jaren 1970 werd geschetst. Het verwijst naar het feit dat zodra objecten een diameter van ongeveer drie voet bereiken, wrijving die door het omringende gas wordt gegenereerd, ze in de zon zouden hebben rondgedraaid. Pebble-aangroei helpt kleine deeltjes over de drempel te slingeren, waardoor ze groot genoeg zijn om zich te handhaven.
Wetenschappers proberen nog steeds te begrijpen of dit proces in het hele zonnestelsel plaatsvond en of het op dezelfde manier zou zijn verlopen voor de binnen- en buitenplaneten. (Hoewel het werkt voor de gasreuzen, passen de latere stadia van snelle groei niet bij wat we weten over aardse planeetformatie). Maar onderzoekers kunnen later dit jaar enkele aanwijzingen vinden, wanneer NASA's Juno-missie, die vorige maand met succes Jupiter bereikte, informatie begint te verzamelen over de samenstelling en kern van de planeet.
Walsh zegt dat uitzoeken hoeveel materiaal in het centrum van de gasreus ligt, onderzoekers zal helpen verschillende modellen van planetaire aangroei te beperken. Als Jupiter een kleine kern heeft, zou klassieke accretion het misschien snel genoeg hebben kunnen opbouwen; als het groot is, zou het kunnen betekenen dat er in plaats daarvan zoiets als kiezelaanslag plaatsvond, zegt hij.
Jupiter en zijn manen Io, Europa en Ganymede zoals gefotografeerd door de Juno-missie kort nadat het ruimtevaartuig in een baan rond de gasreus kwam. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Inzicht in hoe Jupiter is gevormd, zal onderzoekers ook helpen de oorsprong van de andere planeten, inclusief de Aarde, te begrijpen. Dat komt omdat Jupiter is beschuldigd van bemoeienis met de constructie van de binnenste rotsachtige planeten, althans volgens een nieuw idee ontwikkeld door Walsh en anderen dat de laatste jaren aan kracht heeft gewonnen.
De hypothese, bekend als het Grand Tack-model, suggereert dat als Jupiter klaar was met vormen, het al het materiaal op zijn weg rond de zon zou hebben opgeruimd, waardoor een opening in de protoplanetaire schijf effectief is gemaakt. De schijf bevatte echter nog steeds veel gas en stof, dat in de richting van de zon drukte toen de schijf afvlakte en rekte, zegt Walsh.
De kloof van Jupiter blokkeerde effectief de stroom van dit materiaal en de planeet raakte 'gevangen in het vloedwater', zegt Walsh. Het migreerde naar ongeveer de baan van Mars met Saturnus op de hielen. Maar toen Saturnus volgde, volgde het voldoende materiaal om de schijf opnieuw aan te sluiten. Hierdoor werd de druk op Jupiter opgeheven, waardoor beide planeten binnen een paar honderdduizend jaar weer terug konden trekken. Het model is geïnspireerd door observaties van vreemd geordende planeten in andere zonnestelsels die suggereren dat dergelijke migraties veel voorkomen, zegt Walsh.
Voor de rest van het zonnestelsel zou dit zoiets zijn als een paar stieren in een kosmische porseleinkast. Stukjes puin uit het binnenste zonnestelsel zouden eruit zijn geschopt, terwijl rommel uit het buitenste systeem erin zou zijn gesleept, zegt Walsh. Het model helpt de afmetingen van de runt-size Mars en het aantal en de diversiteit van lichamen die vandaag in de asteroïdengordel worden gevonden, te verklaren.
Het biedt ook een mogelijke verklaring voor hoe de aardse planeten hun water kregen. Volgens Grand Tack zou de migratie van de gasplaneet hebben plaatsgevonden terwijl de terrestrische planeten zich nog aan het vormen waren, en had ze waterrijk materiaal uit het buitenste zonnestelsel in de mix kunnen gooien. Walsh en vele andere wetenschappers denken dat koolstofhoudende asteroïden, die zich mogelijk voorbij Jupiter hebben gevormd, de belangrijkste voertuigen waren om water naar de aarde te brengen.
In september lanceert NASA een missie om een dergelijke asteroïde genaamd Bennu te bezoeken. Walsh is een mede-onderzoeker van het project, OSIRIS-REx genaamd, die het lichaam van ver zal bestuderen voordat hij een monster neemt om terug te brengen naar de aarde. Een vergelijkbare missie van het Japanse ruimteagentschap Hayabusa 2 is op schema om in 2018 nog een koolstofhoudende asteroïde te testen.
Wetenschappers hopen meer te weten te komen over waar deze asteroïden vandaan komen en of ze inderdaad de bron zijn van een klasse meteorieten die bekend staan als koolstofhoudende chondrieten. Ze hopen ook dat het bestuderen van een ongerept monster - in plaats van een meteorietfragment - zal helpen onthullen of deze objecten niet alleen water aan de aarde hebben geleverd, maar ook aan de organische verbindingen die mogelijk als voorlopers voor het leven hebben gediend.
Terwijl OSIRIS-REx terugkeert naar de aarde, kan het pad kruisen met Lucy, een andere voorgestelde missie die, net als Psyche, een finalist is in het Discovery-programma. Onder leiding van Levison wil Lucy de laatste grote opschudding verkennen die ons zonnestelsel op zijn kop zette - een planetaire tango die ongeveer 500 miljoen jaar na de Grand Tack begon. Dat is het moment waarop, volgens een hypothese van Levison en anderen, Pluto een instabiliteit veroorzaakte waardoor Neptunus buiten Uranus hinkelde en de buitenste gasreuzen van de zon naar hun huidige posities migreerden.
Deze verstoring, bekend als het Nice-model, zou een regen van puin in het binnenste zonnestelsel hebben gestuurd, mogelijk een verklaring voor een cluster van effecten die zijn gevormd tijdens een periode die bekend staat als het Late Heavy Bombardment. De aardse planeten, zoals de aarde, hadden zich grotendeels gevormd op dit punt, dus de gebeurtenis had geen significante invloed op hun samenstelling. Maar het kan een curvebal naar wetenschappers hebben gegooid die proberen te begrijpen hoe het zonnestelsel evolueerde. De verstoring heeft misschien objecten in het binnenste zonnestelsel geslingerd die geen verband hielden met de materialen die het grootste deel van de aardse planeten vormen, zegt Walsh.
Lucy kon wetenschappers helpen erachter te komen wat er echt gebeurde en hen in staat stellen om te ontwarren wat waar gemengd was. Het zou dit bereiken door een groep asteroïden te onderzoeken die in de baan van Jupiter waren opgesloten. Deze objecten, bekend als de Joviaanse Trojaanse paarden, zijn een mengsel van lichamen die zich door het buitenste zonnestelsel hebben gevormd en vervolgens tijdens de migratie bij elkaar zijn gegooid.
Halverwege de jaren 2020, wanneer de missie hen zou bereiken, zullen de Trojaanse paarden in precies de juiste configuratie worden georiënteerd voor een ruimtevaartuig om een grote tour van zes lichamen te maken. "Ik heb de goden van de hemelmechanica al mijn hele carrière aanbeden", zegt Levison, een planetaire dynamist. "Ze besloten me terug te betalen, omdat de planeten letterlijk op één lijn liggen."
Levison zegt dat het bestuderen van de Trojaanse paarden van dichtbij onderzoekers een duidelijker idee zal geven van hoe het mixen van het Nice-model plaatsvond, en ook een test kon zijn voor kiezelaanwas. De hypothese voorspelt dat alles kleiner dan ongeveer 60 mijl breed eigenlijk een fragment van een groter lichaam zou moeten zijn. Het is een voorspelling die Lucy zou moeten kunnen testen.
Een artist's impression van het oppervlak van Venus, waar de temperaturen zwoele 870 graden Fahrenheit zijn. (ESA / AOES Medialab) Samen lijken deze missies klaar om het begrip van wetenschappers over de oorsprong van de aarde te vergroten, waarschijnlijk op een manier die onderzoekers zich nog niet eens kunnen voorstellen. Het bouwen van een robuust beeld van planetaire vorming vereist immers dat gegevens uit veel verschillende bronnen worden gecombineerd, zegt David Stevenson, een planetaire wetenschapper bij Caltech.
We hebben echter nog een lange weg te gaan voordat we begrijpen wat de aarde en Venus zo anders maakt. "Het is bijna een schande dat we hier op aarde zitten en dat we deze grote planeet het dichtst bij ons hebben waar we zo onwetend over zijn", zegt Stevenson. "De reden dat we zo onwetend zijn, is dat het verdomd heet is!"
Inderdaad, de helse omstandigheden op het oppervlak van Venus hebben de inspanningen om de planeet in detail te bestuderen belemmerd. Rusland slaagde erin om een reeks ruimtevaartuigen op het oppervlak te landen tussen de jaren 1960 en 80. Ze overleefden slechts een paar uur en stuurden korte flitsen van gegevens voordat ze bezweken aan de hitte. Maar deze en andere missies, zoals Pioneer en Magellan van NASA, die de planeet van verre bestudeerden, gaven wel een glimp van de werking van de planeet.
We weten bijvoorbeeld dat Venus een intense broeikasatmosfeer heeft die bijna volledig bestaat uit koolstofdioxide en dat het lijkt alsof hij het grootste deel van zijn oppervlaktewater heeft verloren. Dit kan zijn wat voorkomt dat tektoniek van de platen daar optreedt - water wordt verondersteld de wielen van subductieplaten te smeren. Het kan ook verklaren waarom Venus een geomagnetisch veld mist, dat veel wetenschappers als een noodzaak voor het leven beschouwen omdat het de planeet beschermt tegen de verwoestingen van de zonnewind. Geomagnetische velden worden geproduceerd door convectie in de kern van een lichaam, zegt Nimmo, en vertrouwen op mantelcirculatie - vaak gebonden aan platentektoniek - om warmte weg te transporteren.
Wat wetenschappers meer dan wat dan ook willen, zijn monsters van de oppervlakterotsen van Venus, maar dat blijft een verre doelstelling. In de nabije toekomst zullen onderzoekers genoegen moeten nemen met meer observaties op afstand, zoals die van een huidige Japanse missie. Eerder dit jaar begon het ruimtevaartuig Akatsuki eindelijk gegevens uit zijn baan rond Venus door te geven na een ongeplande omweg van vijf jaar rond de zon.
Bovendien overweegt NASA nog twee eigen Venus-gerichte missies die ook Discovery-finalisten zijn. Eén project, VERITAS genaamd, wordt geleid door Smrekar en zou een orbiter omvatten die in staat is de geologie van de planeet in hoge definitie te bestuderen. De tweede voorgestelde missie, geleid door Lori Glaze van het Goddard Space Flight Center, zou de unieke atmosfeer van Venus analyseren met behulp van een sonde genaamd DAVINCI.
De hoop is dat deze inspanningen zullen onthullen waarom Venus evolueerde zoals het deed, en dus wat de aarde anders maakt. Op dit moment denken veel onderzoekers dat Aarde en Venus waarschijnlijk zijn gevormd uit ongeveer hetzelfde materiaal en vervolgens in de loop van de tijd uiteenliepen dankzij verschillende factoren. Deze omvatten hun verschillende nabijheid tot de zon, en het feit dat de aarde relatief laat in haar geschiedenis een grote botsing heeft ervaren - de impact die de maan heeft gevormd - die een groot deel van de planeet opnieuw zou hebben gesmolten en mogelijk de dynamiek ervan zou hebben veranderd.
Maar totdat we meer weten over hoe de planeten in ons zonnestelsel zijn gevormd en welke processen hun evolutie hebben gevormd, zullen we niet weten wat een gastvrije planeet onderscheidt van een onvruchtbare planeet, zegt Walsh. "We hebben telescopen in de ruimte die op planeten ter grootte van de aarde rond andere sterren jagen, maar we hebben geen idee of een planeet zal evolueren naar een Venus of naar een aarde, " zegt hij. "En dat is het hele balspel, op een bepaald niveau."
