Kosmisch overgewicht: waarom sterren, planeten en manen rond zijn

Beeld: NASA

Door de kosmos zweven planeten zoals Mars en onze aarde, ijzige manen zoals Proteus en hete sterren zoals de zon. Planeten en sterren verschillen erg van elkaar, maar toch zijn ze allemaal rond. Veel manen zijn dat trouwens ook. Hoe komt dat? Je hoort weleens dat dit komt door het gewicht of de grote afmetingen van die objecten. Maar de zware en onregelmatig gevormde maan Proteus en de kleine en gigantisch zware neutronensterren leren ons dat gewicht en afmetingen niet alles zeggen. Drie aspecten zijn belangrijk. Ten eerste heb je de zwaartekracht die de massa van objecten naar binnen trekt (dat kon je al leren uit een video die eerder op EOS verscheen). Ten tweede is er een interne druk nodig die weerstand biedt tegen de samentrekking. Ten slotte moet het object ook voldoende vervormbaar zijn om rond te kunnen worden. Deze kennis heeft trouwens een belangrijke rol in mijn (Hans) leven gespeeld, dus die wil ik daarom niemand onthouden!

Alleen zwaartekracht is niet genoeg

De zon, de maan en de planeten zijn gevormd uit het samenklonteren van gassen en ruimtestof. Deze klonters zijn nadien rond geworden. De interne zwaartekracht zorgt ervoor dat de objecten samentrekken, maar daarmee krijg je nog niet zomaar een bol. Stel je voor dat er enkel samentrekking zou zijn. De planeet- of sterklonter zou dan blijven ineenkrimpen. Dat is duidelijk niet wat er gebeurt. Daarnaast zien we in het zonnestelsel dat sommige ruimteklonters ondanks hun sterke zwaartekracht niet altijd rond worden. Er zijn dus ook andere aspecten nodig voor het volledige plaatje: interne druk en vervormbaarheid.

De eerste andere noodzakelijke factor om een ruimteklonter rond te laten worden, is de interne druk die de zwaartekracht tegenwerkt. Terwijl de zwaartekracht van het object voor een samentrekking zorgt, ‘duwen’ de gesteenten, vloeistoffen of gassen waaruit de nieuwe ster of planeet bestaat in tegengestelde richting.

De tweede factor is de vervormbaarheid. In een vervormbaar object zal de zwaartekracht de inhoud van de planeet zo dicht mogelijk bij het centrum van de zwaartekracht proberen te brengen, terwijl de interne druk probeert te verhinderen dat het volume van de planeet kleiner wordt. Daaruit zal uiteindelijk een evenwicht ontstaan dat overeenkomt met een bolvormige planeet, maan of ster. Dat is niet toevallig, want een bol is de vorm waarvoor de afstand van alle inhoud tot het centrum van de zwaartekracht zo klein mogelijk is voor een bepaald volume. Daarmee zijn zowel de zwaartekracht als de interne druk ‘tevreden’. Dit is niet het geval voor bijvoorbeeld een vierkant met hetzelfde volume, waarin sommige punten zich verder van het centrum bevinden dan andere. Stel dat je planeet start als een (vervormbaar) vierkant, dan zullen de uiterste punten langzaam naar binnen getrokken worden tot het uiteindelijk een bol wordt.

Je kan dit proces een beetje vergelijken met een ballon. Enerzijds heeft de ballon, door de lucht die erin zit, een inwendige druk die naar buiten duwt. Anderzijds zorgt de spanning van het vel voor een samentrekking. Het resultaat? Een bolvormige ballon. Stop je in plaats van lucht een baksteen in een ballon, dan zal de ballon dezelfde vorm als de harde baksteen aannemen. De samentrekkende kracht van de ballon krijgt namelijk niet de kans om de baksteen te vervormen. Verbrijzel je de steen tot zand, dan duwt het zand nog even hard tegen de ballon. Maar de zandkorrels kunnen wel makkelijk bewegen ten opzichte van elkaar. Op die manier krijgt de samentrekkende kracht toch de kans om de inhoud te vervormen. Het evenwicht dat dan bereikt wordt, lijkt al meer op een bol.

Wat maakt planeten dan vervormbaar? Dat kan te maken hebben met hun verschillende samenstellingen (gesteente, ijs of vloeibare lagen). Maar als de zwaartekracht voldoende sterk is, kan zelfs hard gesteente op geologische tijdschaal vervormen.

Zwaar genoeg, maar toch niet rond

Proteus (rechts) is niet rond, maar gek genoeg toch zwaarder dan Mimas (links). Credit: NASA

Is de interne zwaartekracht voldoende sterk, maar het object niet vervormbaar, dan wordt een planeet ook niet bolvormig. Dit is niet zomaar een wetenschappelijk gedachtespelletje. Kijk bijvoorbeeld naar de manen Mimas en Proteus. De bolvormige Mimas is 20% procent lichter dan Proteus. Je zou dan verwachten dat Proteus ook zeker rond is. Desondanks is Proteus onregelmatig gevormd. Dit komt omdat de structuur van Proteus moeilijker vervormt onder invloed van de zwaartekracht dan die van Mimas. In het voorbeeld van hierboven kan je Proteus dus meer vergelijken met de rigide ‘baksteen’ en Mimas meer met de ‘verbrijzelde baksteen’. In werkelijkheid zijn beide eerder ijzige objecten en is Mimas mogelijk gedeeltelijk vloeibaar binnenin en daarom meer vervormbaar.

Heel klein maar toch (niet) rond

De maan Amalthea (250 km groot) is onregelmatig gevormd, maar een neutronen ster van 20 km (rechts) is helemaal rond. Credit: NASA

De afmetingen van een object vertellen je niet altijd of het object rond is. Vergelijk bijvoorbeeld de 250 km lange onregelmatig gevormde Jupitermaan Amalthea met een 20 km grote bolvormige neutronenster. De massa van Amalthea wekt niet voldoende zwaartekracht op om haar rigide structuur te vervormen. Neutronensterren (exotische sterren die uit neutronen bestaan) zijn wel bolvormig en slechts 20 km groot. Dat is een heel stuk kleiner dan Amalthea. Het verschil is dat neutronensterren heel erg zwaar zijn. Miljoenen keren de massa van de aarde zelfs! De interne zwaartekracht is dus veel hoger dan bij Amalthea en zorgt voor voldoende samentrekking om de neutronen te laten bewegen. Dit gebeurt in korte stoten die ‘starquakes’ heten. De samentrekking kan niet blijven doorgaan omdat de opeengepropte neutronen tegen de zwaartekracht inwerken. Het samenspel tussen de zwaartekracht en de druk resulteert in een bol.

Sollicitatietip

Deze kennis heeft ooit een ‘cruciale’ rol in mijn (Hans) carrière als wetenschapper gespeeld. Op mijn allereerste jobinterview stelde een professor van een Zweedse onderzoeksgroep een vraag die hij tijdens elk interview stelt om de kandidaten het vuur aan de schenen te leggen. Die vraag is ‘waarom zijn planeten rond?’. Zwaartekracht op zich is niet het volledige antwoord, er is ook een tegenwerkende druk nodig. Dat wist ik gelukkig en de professor was danig onder de indruk. Hoe belangrijk het antwoord op die vraag echt was weet ik niet, maar die eerste job was wel de springplank voor de rest mijn carrière.

Objecten in de ruimte zijn dus rond door een evenwicht dat optreedt tussen de inwaartse zwaartekracht die de massa samentrekt en de uitwaartse interne druk. Een bijkomende voorwaarde is dat het object voldoende vervormbaar is.

Met dank aan Birtie Meyers