Hoe is het mogelijk dat we de chemische samenstelling van de voor het oog verborgen mantel en kern van de planeten in ons zonnestelsel kennen?

Antwoord

Dat is een goed vraag, waarop het antwoord meerdere boeken vult.

We kunnen het inderdaad niet rechtstreeks meten, ook voor onze aarde niet, want een put tot aan het centrum kunnen we niet delven. We moeten ons dus beroepen op theoretische modellen, die we toetsen aan hetgeen we aan de buitenkant waarnemen. Die modellen hebben te maken met de fysica uiteraard. Ze betreffen de mogelijke structuur van planeten, ook onze inzichten van het ontstaan ervan (zie bijvoorbeeld https://www.ikhebeenvraag.be/wetenschapper/vraag3.jsp?id=19044), en de samenstelling van de materie zoals we die overal zien.

Er is een belangrijk verschil tussen rotsplaneten zoals de Aarde en Mars, en gasplaneten zoals Jupiter en Saturnus. Deze laatste bestaan zoals de zon vooral uit waterstof en helium, de eerste vooral uit zwaardere elementen (vooral zuurstof, stikstof, koolstof, neon, magnesium, silicium, en elementen van de ijzergroep). Het gangbare idee is dat ook de reuzenplaneten als rotsplaneten begonnen zijn, maar zo zwaar waren dat ze het gas waarin ze geboren zijn ook hebben opgestapeld, en zo uiteindelijk vooral gasplaneten zijn geworden.

Neem nu onze eigen Aarde. Het ontstaan van een rotsplaneet door accumulatie van kleinere brokstukken genereert veel hitte, en zorgt ervoor dat het inwendige vloeibaar wordt. In een vloeistof zakken de zwaarste elementen naar beneden, zodat het logisch is te denken dat de kern van de aarde vooral uit ijzer en gelijkaardige zware elementen bestaat. Dat klopt ook met het feit dat de gemiddelde massa van de aarde groter is dan deze van de buitenste steenlagen, die lichtere elementen bevatten. Uit hoe aardbevingen zich voortplanten binnen de aarde kunnen we weten hoe groot de vloeibare kern is. En dan kunnen we fysische modellen opstellen die daarmee in overeenstemming zijn. Het uiteindelijke model hangt dus af van aannames over de samenstelling, onze kennis over de materialen en over de fysische interacties die ze ondergaan. De toets is dat het globale model moet overeenstemmen met de massa en de afmetingen van de planeet, maar ook met de manier waarop via aardbevingen golven er zich in voortplanten, en nog andere metingen, zoals van het gravitatieveld van de aarde zoals we kunnen meten uit de banen van satellieten. Ook het magneetveld van de Aarde wijst erop dat erbinnen vloeibaar ijzer aanwezig is.

Van de gasplaneten vermoeden we dus dat ze initieel ook een rotskern hadden, maar nadien heel veel waterstof en helium hebben opgestapeld. Zoveel (bij Jupiter 95% van de totale massa, bij Saturnus 90%) dat het niet zeker is dat de rotskern intact is gebleven; men vermoedt inderdaad dat ze ook besmeurd is met waterstof en misschien ook helium. Heel zeker weten we dat echter niet. Het wordt echter vrij aannemelijk wanneer we bedenken dat waterstof bij die heel hoge interne drukken samengeperst kan worden tot een vaste vorm, die we metallische waterstof noemen. Maar een probleem is hier zeker dat die extreem hoge drukken heel moeilijk realiseerbaar zijn in laboratorium-omstandigheden, zodat we de modellen daaromtrent moeilijk kunnen toetsen.

Het kan allemaal onzeker lijken, en inderdaad is de sterrenkunde gedurende lange tijd een vrij speculatieve wetenschap geweest. Dat geldt niet alleen voor planeten, maar ook voor sterren. Hoe we weten wat er diep binnen de zon gebeurt, terwijl we alleen de buitenkant zien, is een gelijkaardig verhaal. Sterrenkunde is eigenlijk een grote 'detective story'. Maar het werkt! Door (van) de buitenkant heel gedetailleerd te meten, slaagt men erin het aantal mogelijke fysische modellen sterk te beperken, soms op vrij eenduidige wijze. Daarin staan we thans veel verder voor de zon, en tot op zekere hoogte voor de aarde, dan voor de reuzenplaneten. Dat is trouwens een reden waarom we nog sondes naar die planeten sturen, met de hoop door metingen ter plekke (van de buitenlagen van de planeet, maar ook van het gravitatieveld dat de hele planeet uitoefent) uiteindelijk tot eenduidige modellen voor het inwendige te komen.