Bouwmaterialen voor aarde en Mars kwamen uit centrale deel zonnestelsel

Schematische weergave van het jonge zonnestelsel. © Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution

De aarde en Mars zijn gevormd uit materiaal dat grotendeels afkomstig is uit het binnenste deel van het zonnestelsel. Slechts een klein deel van hun ‘bouwmateriaal’ kwam van voorbij de baan van de planeet Jupiter. Tot die conclusie komt een onderzoeksteam onder leiding van de Westfälische Wilhelms-Universität Münster (Science Advances, 22 december). 

De wetenschappers baseren zich op de meest uitgebreide vergelijking tot nu toe van de isotopensamenstellingen van de aarde, Mars en het oorspronkelijke bouwmateriaal van het binnenste en buitenste deel van ons zonnestelsel. Een deel van dit materiaal is nog steeds grotendeels onveranderd in meteorieten terug te vinden. 

De geboorte van ons zonnestelsel, ongeveer 4,6 miljard jaar geleden, voltrok zich in de schijf van stof en gas die om de nog jonge zon draaide. Voor het ontstaan van de binnenste rotsachtige planeten bestaan twee theorieën. Volgens de oudste theorie klonterde het stof samen tot steeds grotere brokstukken, die geleidelijk ongeveer de grootte van onze maan bereikten. Mercurius, Venus, de aarde en Mars zouden vervolgens zijn ontstaan uit botsingen tussen deze planetaire voorlopers, de zogeheten planetesimalen. 

Een recentere theorie beschrijft een alternatief scenario: millimeters grote stofklontjes – ook wel pebblesgenoemd – migreerden vanuit het buitenste deel van het zonnestelsel richting zon en verzamelden zich onderweg op de daar gevormde planetesimalen, die daardoor hun huidige omvang bereikten. 

Beide theorieën zijn gebaseerd op modelberekeningen en computersimulaties die de omstandigheden en bewegingen in het vroege zonnestelsel nabootsen, maar welke is de juiste? Om deze vraag te beantwoorden heeft het team van planeetwetenschappers gekeken naar de precieze samenstelling van de planeten aarde en Mars, en met name naar de verschillende isotopen van de zeldzame metalen titanium, zirkonium en molybdeen, die in minieme hoeveelheden in de korsten van beide planeten worden aangetroffen. Als vergelijkingsmateriaal werden twee soorten meteorieten gebruikt: koolstofhoudende chondrieten, die uit het buitenste deel van het zonnestelsel afkomstig zijn, en koolstofarme chondrieten uit het centrale deel van het zonnestelsel. De samenstelling van Mars werd afgeleid uit die van zeventien meteorieten waarvan vaststaat dat hun oorsprong op deze planeet ligt. 

De resultaten tonen aan dat de samenstellingen van de aarde en Mars weinig gemeen hebben met de koolstofhoudende chondrieten: hun aandeel in het bouwmateriaal van beide planeten bedraagt slechts ongeveer vier procent. Als de planetesimalen die hen voorgingen aan de lopende band stofklontjes uit het buitenste deel van het zonnestelsel hadden verzameld, zou dat percentage bijna tien keer zo hoog zijn geweest. Het lijkt er dus op dat het alternatieve scenario – dat de bouwstenen van aarde en Mars sterk werden verrijkt met stof uit de buitenwijken van het zonnestelsel – op losse schroeven staat. (EE)

Meteorieten als referentie

De Marsmeteoriet Olifant Moraine (EETA) 79001. De wetenschappers onderzochten deze en andere Marsmeteorieten in het onderzoek. 
© NASA/JSC

Wetenschappers nemen aan dat in het vroege zonnestelsel deze en andere metaalisotopen niet gelijkmatig verdeeld waren. Integendeel, hun overvloed hing af van de afstand tot de zon. Ze bevatten daarom waardevolle informatie over waar in het vroege zonnestelsel de bouwstenen van een bepaald lichaam zijn ontstaan.

Als referentie voor de oorspronkelijke isotopeninventaris van het buitenste en binnenste zonnestelsel gebruikten de onderzoekers twee soorten meteorieten. Deze brokken steen vonden over het algemeen hun weg naar de aarde vanuit de asteroïdengordel, het gebied tussen de banen van Mars en Jupiter. Ze worden beschouwd als grotendeels ongerept materiaal uit het begin van het zonnestelsel. Terwijl zogenaamde koolstofhoudende chondrieten, die tot een paar procent koolstof kunnen bevatten, hun oorsprong vonden buiten de baan van Jupiter en pas later werden verplaatst naar de asteroïdengordel onder invloed van de groeiende gasreuzen, hun meer koolstofarme neven, de niet-koolstofhoudende chondrieten , zijn echte kinderen van het innerlijke zonnestelsel.

De precieze isotopensamenstelling van de toegankelijke buitenste gesteentelagen van de aarde en die van beide soorten meteorieten zijn al enige tijd bestudeerd; er zijn echter geen vergelijkbare uitgebreide analyses van Martiaanse rotsen geweest. In hun huidige onderzoek onderzochten de onderzoekers nu monsters van in totaal 17 Mars-meteorieten, die kunnen worden toegeschreven aan zes typische soorten Mars-gesteente. Bovendien onderzochten de wetenschappers voor het eerst de abundanties van drie verschillende metaalisotopen.

De monsters van Marsmeteorieten werden eerst verpoederd en onderworpen aan een complexe chemische voorbehandeling. Met behulp van een multicollector plasmamassaspectrometer van het Instituut voor Planetologie van de Universiteit van Münster konden de onderzoekers vervolgens kleine hoeveelheden titanium, zirkonium en molybdeenisotopen detecteren. Vervolgens voerden ze computersimulaties uit om de verhouding te berekenen waarin bouwmateriaal dat tegenwoordig in koolstofhoudende en niet-koolstofhoudende chondrieten wordt aangetroffen, in de aarde en Mars moet zijn opgenomen om hun gemeten samenstellingen te reproduceren. Daarbij beschouwden ze twee verschillende accretiefasen om de verschillende geschiedenis van respectievelijk de titanium- en zirkoniumisotopen en de molybdeenisotopen te verklaren. In tegenstelling tot titanium en zirkonium hoopt molybdeen zich voornamelijk op in de metalen planetaire kern.

De resultaten van de onderzoekers laten zien dat de buitenste gesteentelagen van de aarde en Mars weinig gemeen hebben met de koolstofhoudende chondrieten van het buitenste zonnestelsel. Ze vormen slechts ongeveer vier procent van de oorspronkelijke bouwstenen van beide planeten. “Als de vroege aarde en Mars voornamelijk stofkorrels uit het buitenste zonnestelsel hadden opgehoopt, zou deze waarde bijna tien keer hoger moeten zijn”, zegt prof. dr. Thorsten Kleine van de Universiteit van Münster, die ook directeur is van het Max Planck Instituut voor Onderzoek naar het zonnestelsel in Göttingen. “We kunnen deze theorie van de vorming van de binnenplaneten dus niet bevestigen”, voegt hij eraan toe.

Verloren bouwmateriaal

Maar ook de samenstelling van Aarde en Mars komt niet exact overeen met het materiaal van de niet-koolstofhoudende chondrieten. De computersimulaties suggereren dat er ook een ander, ander soort bouwmateriaal in het spel moet zijn geweest. “De isotopensamenstelling van dit derde type bouwmateriaal, zoals afgeleid door onze computersimulaties, impliceert dat het afkomstig moet zijn uit het binnenste deel van het zonnestelsel”, legt Christoph Burkhardt uit. Aangezien lichamen zo dicht bij de zon bijna nooit werden verspreid in de asteroïdengordel, werd dit materiaal bijna volledig opgenomen in de binnenplaneten en komt het dus niet voor in meteorieten.”Het is als het ware ‘verloren bouwmateriaal’ waar we tegenwoordig geen directe toegang meer toe hebben”, zegt Thorsten Kleine.

De verrassende vondst verandert niets aan de consequenties van het onderzoek voor de theorie van planeetvorming. “Het feit dat de aarde en Mars blijkbaar voornamelijk materiaal uit het binnenste van het zonnestelsel bevatten, past goed bij de planeetvorming door de botsingen van grote lichamen in het binnenste zonnestelsel”, concludeert Christoph Burkhardt.

originele publicatie

Christoph Burkhardt, Fridolin Spitzer, Alessandro Morbidelli, Gerrit Budde, Jan. H. Render, Thomas S. Kruijer, Thorsten Kleine: Aardse planeetvorming uit verloren materiaal van het binnenste zonnestelsel, Science Advances, 22 december 2021. DOI: 10.1126 / sciadv. abj7601


Earth and Mars were formed from inner Solar System material

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: