Vacuümkamer van vijf ton moet geheim van planeetvorming ontrafelen
Hoe ontstaan planeten? In een speciaal ontwikkelde planet-incubator in Duitsland wordt de geboorte van planeten nagebootst. UvA-hoogleraar Carsten Dominik is een van de onderzoekers achter het project.
Op een kamer in het Science Park kijkt de UvA-hoogleraar sterrenkunde Carsten Dominik vol trots naar zijn laptopscherm. Hij laat een online simulatie zien van de planet-incubator, een project waar hij al een jaar, samen met zijn collega Jürgen Blum uit Braunschweig, aan werkt. Dominik kreeg voor het project GT4Pebbles 3,5 miljoen euro van de ERC.Initieel kregen ze 2,5 miljoen euro, later kwam daar nog een miljoen bij voor ‘investeringen, het experiment en sterke computers.’
Vandaag wordt de simulatie werkelijkheid. In dezelfde Duitse stad wordt de planet-incubator onthuld: een massieve, ronde trommel met een doorsnede van twee meter en een gewicht van vijf ton.Het bedrijf Pfeiffer Vacuum bouwde in opdracht het experiment Op het kleine scherm oogt het gevaarte een stuk minder reusachtig.
De fascinatie voor het universum dateert al uit de prehistorie. Toch is er veel wat wij (nog) niet weten. Hoe planeten ontstaan, bijvoorbeeld. Dat de hemellichamen formeren uit botsende pebbles (kleine, samengeklonterde stofdeeltjes; een soort kiezels) rondom een nieuwe ster, weten we. Maar hoe die pebbles precies pebbles worden, is nog niet bekend. Daar moet de planet-incubator verandering in brengen. De vacuümkamer bootst na hoe stofdeeltjes samenklonteren tot pebbles. De wetenschappers kunnen met een microscoop het begin van een planeet waarnemen. ‘We vormen niet een hele planeet hier, maar we maken de eerste stap,’ aldus Dominik.
Bouwstenen
Dominik klikt op een grote digitale knop en de ronde kamer in beeld begint te draaien. Met de simulatie laat hij zien hoe het experiment dat ze met de planet-incubator willen doen, werkt. Een tweede druk op een knop laat stofdeeltjes in de ton vallen. Lichtgroene puntjes, die de deeltjes voorstellen, stromen mee met de beweging van de trommel. Door de ronddraaiende beweging ontstaat, als alles exact juist is ingesteld, een staat van gewichtsloosheid, legt Dominik uit. In het experiment kunnen de microscopische gas- en stofdeeltjes dus net zoals in de ruimte bewegen.
‘Planeten ontstaan bij nieuwe sterren,’ legt Dominik uit. ‘Om die ster heen is een regio waar gas- en stofdeeltjes rondzweven. De gasdeeltjes duwen de stofdeeltjes heen en weer. Als ze heel zacht met elkaar botsen, blijven ze aan elkaar plakken en worden ze groter.’
Op de simulatie zijn de deeltjes al zichtbaar aan het zweven. ‘Als we nog even wachten, zien we zo de eerste aggregatenvorming, volgens mij.’ De stofdeeltjes kunnen samen gaan klonteren, en als het er heel veel zijn, uitgroeien tot een pebble, die op hun beurt de bouwstenen vormen voor een planeet. Dominik: ‘Aggregaten zijn kleine korreltjes, die best wel fluffy zijn. Net als het stof onder je bed. Als ze compacter worden, noemen we ze pebbles.’
De eerste bolletjes op het computerscherm beginnen te fuseren. Het is nog geen pebble, daar zijn meer dan een miljard deeltjes voor nodig. ‘Hoe je van pebbles een planeet maakt, snappen we wel,’ zegt Dominik. ‘Die modellen zijn al ver gevorderd.’ Nu proberen ze erachter te komen hoe zo’n pebble ontstaat. Als genoeg deeltjes elkaar hebben gevonden, moet er een moment zijn dat ze ‘waarschijnlijk beginnen te krimpen’ en dus compacter worden, uiteindelijk leidend tot pebbles, legt Dominik uit. ‘Wij proberen uit te zoeken wanneer en hoe dat gebeurt.’
Dagenlang zweven
Andere wetenschappers hebben eerder geprobeerd dit proces na te maken. Bijvoorbeeld door een experimentenkamer met daarin stofdeeltjes van een 150 meter hoge toren naar beneden te laten vallen – want tijdens de val bereiken ze ook een staat van gewichtloosheid. In die experimenten kon die staat niet lang genoeg worden vastgehouden. ‘Er is tijd nodig om de deeltjes met elkaar te laten groeien. Je moet ze laten leviteren – zo noemen wij dat – oftewel: laten zweven. Als ze op de bodem vallen, gaan ze plakken en heb je er niks meer aan.’ Bij de andere proeven kregen de deeltjes te weinig tijd om zonder invloed van zwaartekracht te bewegen. In de planet-incubator moeten de korreltjes twee volle dagen kunnen blijven zweven. ‘Dit kan doordat er een heel klein beetje lucht in de kamer zit. Als de kamer draait, stroomt die lucht aan de rechterkant een klein beetje omhoog en werkt dat de zwaartekracht tegen,’ aldus Dominik.
Hypothesen
Er zijn nog verschillende hypothesen over hoe stofdeeltjes pebbles worden. ’Het kan zijn dat het door botsingen komt,’ legt Dominik uit. Een andere verklaring is dat de gasstromingen ervoor zorgen dat de aggregaten comprimeren tot pebbles. ‘Als het gas een beetje turbulent is, als het soms naar elkaar toe en soms van elkaar af beweegt, kan dat voldoende zijn om het te laten krimpen.’
‘De botsingen gaan zeker iets gaan doen,’ verwacht Dominik. ‘Maar misschien niet genoeg. We moeten ook echt naar de gasstromingen gaan kijken.’ Hij zet vraagtekens bij de aanname dat alle stofdeeltjes bestaan uit dezelfde eigenschappen én dat ze allemaal pebbles worden. ‘Ik denk dat de aanname die nu wordt gemaakt, dat alle mogelijke stofdeeltjes in pebbles met exact dezelfde eigenschappen zitten, fout is.’
De berekeningen waarmee sterrenkundigen de vorming van planeten proberen te verklaren en andere vragen over het universum beantwoorden, zijn gebaseerd op die aannames, vertelt Dominik. Wetenschappers die het ontstaan van planeten modelleren, nemen de pebbles als beginpunt aan, ‘alsof die al kant en klaar aanwezig zijn,’ legt hij uit. ‘Het is niet bewezen dat dat zo is. De eigenschappen kunnen anders zijn. Wij willen weten of de modellen die wij hebben om planeten te maken op de juiste dingen zijn gebaseerd.’
Nooit af
De deeltjes zijn te klein om met het blote oog waar te nemen. Maar met microscopen en camera’s houden de onderzoekers het gehele proces in de gaten. ‘Daarvoor moeten we eerst nog allerlei dingen aanbouwen. Daarna gaan we de eerste experimenten doen. Daar gaan we van leren.’ Op basis van de informatie uit de eerste pogingen passen ze de variabelen aan waar nodig en beginnen ze opnieuw.
Het experiment is nooit af, vertelt Dominik. Vandaag komt de planet-incubator naar Braunschweig, maar hij zal niet meteen worden gebruikt. ‘Dat wordt denk ik pas tegen januari,’ zegt Dominik. Het project duurt in totaal vijf jaar, waarvan het eerste jaar al is verstreken. ‘Over vier jaar willen we echt antwoorden hebben. Maar de eerste resultaten komen eerder.’
