Nieuwe inzichten omtrent de jonge zon en migratie van de aarde

photoshopper24 / Pixabay

Al jaren voeren wetenschappers discussie over wat de ‘paradox van de zwakke, jonge zon’ wordt genoemd. Creationisten hebben zich er ook mee bezig gehouden, aangezien het gaat om een probleem met de evolutionaire oorsprongsscenario’s van het leven op aarde.1,2,3

De helderheid van de zon neemt in de loop der tijd geleidelijk toe. Wanneer we dit met terugwerkende kracht meer dan twee miljard jaar (Ga) in het verleden projecteren, betekent het dat de aarde toen veel minder energie van de zon kreeg. Mogelijkerwijs zou het gehele aardoppervlak dan bevroren zijn geweest vanwege de lagere helderheid van de zon.

In een recente bron waarin wordt gekeken naar variaties in helderheid van de zon worden waarden gegeven van ongeveer 15 procent minder bij 2 Ga in het verleden (‘before present’ – bp), ongeveer 20 procent bij 3 Ga bp en een minimum van 26 procent minder dan de huidige helderheid rond 4,2 Ga bp.4

In 1972 schatte Carl Sagan dat de huidige helderheid grofweg 40 procent lager is dan bij 4,5 Ga bp.5 Dit roept vragen op als ‘Hoe kon het leven evolueren?’ en ‘Hoe heeft het leven zich gehandhaafd?’

Moeilijkheden met atmosferische oplossingen

In 1972 richtte Carl Sagan zich op de kwestie van de jonge zon door te suggereren dat ammonia in de atmosfeer van de prille aarde het broeikaseffect zou hebben versterkt, net zoals de dikke atmosfeer van Venus heet blijft. Wetenschappers hebben een aantal variaties van Sagans idee onderzocht, zoals een atmosfeer met hogere concentraties methaan en kooldioxide.

Het algemeen aanvaarde antwoord van de huidige wetenschap op de paradox van de zwakke, jonge zon is nog steeds dat de aardatmosfeer ooit dikker was dan nu en dat een groter broeikaseffect ervoor zorgde dat deze mogelijk tientallen miljoenen jaren heet bleef.6 Dit antwoord op het probleem van de jonge zon doet dus een beroep op de atmosferische wetenschap.

De zon; via ipicgr / Pixabay

Sagans oorspronkelijke idee is niet waarschijnlijk, want ammonia wordt snel afgebroken door ultraviolette straling. Methaan heeft, naast dat het gevoelig is voor ultraviolette straling, de neiging organische nevels te veroorzaken, die zorgen voor minder licht. Als een substantie als methaan een hogere concentratie heeft, zorgt dit voor een versterking van het broeikaseffect, maar bij een te hoge concentratie koelt de nevel de aarde af vanwege een tekort aan licht. Men heeft ook kooldioxideconcentraties overwogen die veel groter zijn dan vandaag de dag.2

Een belangrijk probleem met kooldioxide en de jonge zon is dat deze de neiging heeft voor meer bewolking te zorgen, wat de aarde afkoelt.7 Wetenschappers die zich met het probleem hebben beziggehouden, concludeerden over het algemeen dat kooldioxide, methaan en ammonia in de atmosfeer van de prille aarde waarschijnlijk geen adequate oplossingen bieden voor de paradox van de zwakke, jonge zon. Creationist Michael Oard heeft zich recentelijk ook beziggehouden met enkele van deze aspecten van het probleem.2

Moeilijkheden met oplossingen op het gebied van planetaire bewegingen

Vanuit de planeetwetenschappen zijn er andere verklaringen voorgesteld voor het dilemma van de jonge zon. Een ervan is dat onze zon in het verleden ongeveer zeven procent massiever was.8 Toen ze meer massiever was zou haar straling richting de aarde een paar procent meer zijn geweest, voldoende om het ontstaan van het leven mogelijk te maken. De bekende planetair astronoom dr. David Minton van Purdue University heeft recentelijk enkele problemen met dit scenario aangekaart.7

Het grootste bezwaar ertegen zou kunnen zijn dat van jonge sterren die erg op onze zon lijken niet wordt waargenomen dat ze zo snel massa verliezen als voor dit model vereist is. Onze zon zou in rap tempo massa moeten verliezen gedurende een zeer lange tijd (meer dan 2 Ga). Nu is het wel zo dat het erop lijkt dat sommige sterren fasen doormaken waarin ze sneller massa verliezen, zoals vanwege een toegenomen zonnewind of door coronale massa-uitwerpingen. Het lijkt echter niet plausibel dat onze zon massaverlies van deze orde van grootte zou kunnen ondergaan en dan zou worden tot de stabiele zon waar wij vandaag de dag van profiteren.

Een nieuwe oplossing vanuit de planeetwetenschappen

Wetenschappers die zich met het probleem hebben beziggehouden, hebben over het algemeen geconcludeerd dat kooldioxide, methaan en ammonia in de atmosfeer van de prille aarde waarschijnlijk geen adequate oplossingen bieden voor de paradox van de zwakke, jonge zon.
Minton heeft recentelijk een nieuw antwoord op de paradox van de jonge zon voorgesteld, waarin hij suggereert dat de aarde ooit ongeveer 6-7 procent dichter bij de zon stond dan nu en vervolgens van de zon af, in de richting van zijn huidige baan is gemigreerd. Planeetmigratie is vandaag de dag een algemeen geaccepteerde theorie binnen de planeetwetenschap en wordt toegepast om het ontstaan en de geschiedenis van veel extrasolaire planetaire systemen te verklaren. Er zijn drie typen mechanismen voor planeetmigratie voorgesteld.

Het eerste houdt in essentie in dat de schijf van protoplanetair stof ervoor zorgt dat de planeet migreert. Volgens wetenschappers is zowel binnenwaartse als buitenwaartse migratie mogelijk, afhankelijk van het scenario. Het tweede, meer recent voorgestelde mechanisme is dat een enorme schijf planetesimalen ervoor kan zorgen dat een planeet migreert. Volgens het derde mechanisme kan een andere planeet (of in bepaalde systemen mogelijk een andere ster) ervoor zorgen dat een planeet migreert. Het derde van deze mechanismen is het mechanisme dat Minton voorstelt als oorzaak van de verandering van de baan van de aarde.

Het idee is nog niet helemaal in detail doorontwikkeld en op het moment van schrijven heeft Minton er nog geen paper over gepubliceerd. Minton heeft echter een presentatie gegeven bij het Space Telescope Science Institute op 12 april 2012, waarvan de opname te zien is via het internet.9 Er zijn op het internet enkele niet-wetenschappelijke artikelen verschenen die dit hebben opgepikt.10,11

Afgaande op zijn presentatie lijkt Minton nogal te twijfelen aan dit voorstel. Het meest voor de hand liggende scenario voor migratie van de aarde gaat ongeveer als volgt: Mercurius, Venus en Aarde worden gevormd ergens in de buurt van waar ze nu zijn, maar een niet nader genoemde vierde rotsachtige planeet wordt ergens nabij de aarde of Venus gevormd. Deze vierde planeet komt in botsing met Venus. Venus valt deels uiteen door de botsing en wordt vanuit het puin opnieuw gevormd, waarna de planeet ook een hernieuwd oppervlak krijgt als gevolg van vulkanisme. Vermoedelijk heeft de vierde planeet voordat deze Venus raakte de aarde gepasseerd, wat er dan voor gezorgd zou hebben dat de baan van de aarde naar buiten migreerde.

Een andere mogelijkheid is dat de vierde planeet een elliptische baan had die zowel de baan van Venus als die van de aarde kruiste. Planeten die relatief in elkaars nabijheid zijn, zoals hier, zouden elkaar ook kunnen beïnvloeden door resonantie van hun baan. Een aantal van dergelijke scenario’s is dus voorstelbaar. Milton berekent dat als het verste punt van de aarde ten opzichte van de zon slechts zes tot zeven procent dichter bij de zon was geweest, dit de straling op aarde zou hebben doen toenemen, met de zon zoals deze vandaag de dag is, zodat er vloeibaar water op aarde kan zijn.

Nieuwe oplossing: wetenschappelijk feit of wetenschappelijke fantasie?

Moon; via torstensimon / Pixabay

In zijn presentatie onderkent Milton dat dit idee wellicht eerder sciencefiction is dan echte wetenschap. Een aanpassing van de baan van de aarde van enkele procenten lijkt echter niet al te ongeloofwaardig vanuit het standpunt bezien van planetaire mechanismen, wanneer je gelooft in een oud zonnestelsel en slechts natuurlijke processen in acht neemt als het gaat om oorsprongsverklaringen. Doelmatig ontwerp om het leven een veilig onderkomen te bieden wordt binnen de planeetwetenschappen normaal gesproken niet tot de mogelijkheden gerekend. Gegeven de grote variëteit aan extrasolaire systemen die inmiddels ontdekt zijn lijkt deze benadering, in elk geval voor sommigen, misschien een logische toepassing van de momenteel heersende ideeën over onze eigen planeet. Maar welke mogelijke problemen met de migratie van de baan van de aarde zijn er zoal?

Om te beginnen: wat zou er met de maan gebeuren? Wanneer een planeet, zoals de aarde, een maan heeft, zou alles dat de baan van de aarde zou veranderen ook een groot effect hebben op de beweging van de maan. Het is mogelijk dat de maan uit zijn baan wordt geslingerd, zeker als de vierde planeet in de buurt zou komen. De maan zou ook in een meer elliptische baan om de aarde kunnen raken.

Als we aannemen dat de maan in zijn baan bleef, dan zouden de getijdenveranderingen op aarde die veroorzaakt worden door de veranderingen in de baan van de maan drastische gevolgen kunnen hebben. Het is zelfs mogelijk dat de maan door een dergelijke gebeurtenis in botsing met de aarde komt. De baan van de maan zou ook verschillende oscillaties kunnen ondergaan, die tot de dag van vandaag zouden kunnen voortduren. Dit aspect van het idee van een migratie van de aarde is kennelijk nog niet echt door Milton onderzocht. Het effect op de maan van een migratie van de aarde zou enorme gevolgen kunnen hebben voor het leven op aarde.

Het effect op de maan van een migratie van de aarde zou enorme gevolgen kunnen hebben voor het leven op aarde
Een andere belangrijke vraag over Miltons scenario betreft de timing en de relatie met de vroege geschiedenis van de aarde. Wetenschappers nemen over het algemeen aan dat de aarde meer dan 4,5 Ga geleden gevormd werd en dat het leven zich mogelijk meer dan 3 Ga geleden ontwikkelde. Het lijkt erop dat Milton de botsing met Venus en het verplaatsen van de aarde op zijn laatst 1 Ga geleden plaatst.

Dat is dus lang na het verdwijnen van de zonnevel en het zware inslagmoment heeft volgens de evolutionaire modellen vroeg in het zonnesysteem plaatsgevonden. Het plaatst de gebeurtenis bovendien lang na de vermeende inslag van een object ter grootte van Mars op de aarde, waardoor de maan gevormd zou zijn. Men neemt aan dat deze maanvormende inslag plaatsvond voordat de aarde 100 Ma oud was. De geponeerde botsing met Venus en het dientengevolge verplaatst raken van de aarde zouden eveneens lang na de ontwikkeling van het leven op aarde hebben plaatsgevonden.

Volgens Miltons benadering zou de aarde warm genoeg zijn om vloeibaar water aan het oppervlak te bevatten van 3 Ga tot 1 Ga geleden, of totdat de baan van de aarde zich in zijn huidige positie bevond. Hoe zit het met de helderheid van de zon vóór de inslag van Venus? Voordat de aarde migreerde was zij wellicht blootgesteld aan significante temperatuurschommelingen gedurende zo’n 2,5 Ga.

De migratie van de baan van de aarde als gevolg van het gravitatie-effect van een verloren planeet lijkt wellicht sciencefiction. Niettemin worden voor modellen voor de oorsprong van planeten zulke ideeën serieus onderzocht.12 In buitenaardse planetaire systemen kunnen de planeten op de een of andere manier minder stabiel zijn dan in ons zonnestelsel.13,14 Derhalve nemen planeetwetenschappers de mogelijkheid serieus dat tijdens het vele miljarden jaren durende vormingsproces van een zonnestelsel planeten worden gevormd die worden vernietigd of uit het zonnestelsel worden geslingerd.

Venus; via WikiImages / Pixabay

Inmiddels is er mogelijk bewijs voor enkele solitaire exoplaneten die in de ruimte ronddwalen die niet zwaartekrachtgebonden zijn aan enige ster.15 Men neemt aan dat deze ‘vrij zwevende’ objecten in een zonnestelsel zijn gevormd, maar daaruit zijn geslingerd, waarschijnlijk door interactie met andere planeten of mogelijk sterren in binaire of tertiaire sterrensystemen.

Dus in het licht van extrasolair planeetonderzoek achten planeetwetenschappers het niet als onmogelijkheid dat binnen ons eigen systeem een planeet heeft bestaan die er nu niet meer is. Evengoed maakt dit het geloof noodzakelijk in een planeet waarvoor geen direct bewijs is. Bovendien valt of staat dit idee met het antwoord op de vraag: als er inderdaad zo’n planeet-planeet-interactie heeft plaatsgevonden, hoe zijn dan de aarde, de maan en Venus in hun huidige banen geraakt?

Migratie veroorzakende gebeurtenissen als deze zullen de overgebleven planeten waarschijnlijk niet in zulke regelmatige cirkelbanen achterlaten als die waarin de aarde, Venus en de maan zich bevinden. In het geval van Venus zou er na de botsing ongetwijfeld gas en stof aanwezig zijn rond de regio van Venus’ baan en dit zou een afrondend effect kunnen hebben op de baan van een hervormde Venus. Aan de andere kant zou dit materiaal kunnen verdwijnen voordat Venus’ baan voldoende afgerond kon zijn.

De baan van Venus heeft momenteel een excentriciteit van 0,007, bijna een perfecte cirkel. De maan is ook bijna cirkelvormig in zijn baan, met een excentriciteit van slechts 0,055. Zo’n lage excentriciteit voor Venus lijkt niet te wijzen op een significante rampzalige gebeurtenis in het verleden. Merk echter op dat de orbitale excentriciteit niet constant is. Voor onze maan is het mogelijk dat een vroegere impact oscillaties in de baan zou kunnen hebben veroorzaakt, hoewel hier geen direct bewijs voor is. Deze theoretische mogelijkheid werd door Samec16 aangesneden.

Om hetzelfde effect voor de aarde te bereiken, moet een groter object de aarde raken of erlangs scheren. De excentriciteit van de baan van de aarde varieert gedurende duizenden jaren, maar deze variaties worden meestal geweten aan de gravitatie-effecten van Jupiter en Saturnus. Schommelingen in de baan van de aarde komen dus niet per se door een grote verandering in de baan van de planeet of van een planeet-planeet-interactie. Een verandering van 6-7 procent in de baan van de aarde houdt in dat deze grofweg 10 miljoen kilometer verschuift. Dit is veel meer dan een kleine schommeling.

Minton heeft kennelijk nog geen specifiek model in een wetenschappelijke publicatie prijsgegeven over zijn voorstel voor de migratie van de aarde. Mocht er een specifiek scenario voor de migratie van de aarde te berde worden gebracht, dan zou dit wellicht getoetst kunnen worden aan de hand van de variaties in de banen van Venus en de aarde. Voor de auteur zijn er echter geen overtuigende redenen om aan te nemen dat de banen van Venus of de aarde significant gewijzigd zijn sinds de schepping.

De paradox van de zwakke, jonge zon vormt ook een probleem voor het verklaren van Mars. Voor wat betreft Mars gaat het om de vraag hoe vloeibaar water in het verre verleden op het oppervlak van de planeet kan hebben bestaan. Mars heeft een dunne atmosfeer die voornamelijk bestaat uit kooldioxide. Op dit moment zou vloeibaar water verdampen, maar er is bewijs voor erosie van het oppervlak door water in het verleden.

Mars; via Sttefan / Pixabay

De zwakke, jonge zon verergert het probleem om te verklaren hoe Mars vloeibaar water kan hebben bevat dat de waargenomen erosie veroorzaakt heeft. Er is voorgesteld dat Mars ooit een veel dikkere atmosfeer had dan nu het geval is, waarvan een gedeelte verloren is gegaan als gevolg van grote inslagen. Proberen om de kooldioxideconcentratie op Mars voldoende te verhogen om de druk en het broeikaseffect voor vloeibaar water adequaat te verhogen, leidt echter tot de vorming van een wolkendek van CO2 dat dit concept onmogelijk maakt. 7

Conclusies

We leven in een zonnestelsel dat door God voor ons welzijn ontworpen is met een hoge mate van stabiliteit. Intelligent ontwerp heeft niet alleen betrekking op de aarde zelf, maar ook voor onze zon en de plaats van andere planeten binnen ons zonnestelsel. De Bijbel impliceert dat het zonnestelsel aan het eind van de scheppingsweek voltooid was (Exodus 20:11).

Veranderingen in banen van planeten die het leven zouden kunnen bedreigen en planeetbotsingen passen niet in het ordelijke, stabiele systeem dat de Bijbel lijkt te impliceren. Wellicht belangrijker nog is het feit dat zulke catastrofale ontwikkelingen miljoenen en miljarden jaren vereisen, terwijl de Bijbel impliceert dat het zonnestelsel slechts enkele duizenden jaren oud is.

 

Referenties en noten

  1. Faulkner, D., The young faint sun paradox and the age of the solar systemJ. Creation 15(2):3–4, 2001.
  2. Oard, M.J., Is the faint young sun paradox solved? J. Creation 25(2):17‒19, 2011
  3. Sarfati, J., Onze heldere ster: waarom de zon niet miljarden jaren oud kan zijnCreation 26(3):52–53, juni 2004
  4. Ribas, I., The Sun and stars as the primary energy input in planetary atmospheres, Proceedings of the International Astronomical Union 5(S264):3–18, 2009.
  5. Sagan, C. and Mullen, G., Earth and Mars: evolution of atmospheres and surface temperatures, Science 177(4043):52–56, 7 juli 1972
  6. Zahnle, K., Arndt, N., Cockell, C., Halliday, A., Nisbet, E., Selsis, F. and Sleep, N.H., Emergence of a Habitable Planet, Space Science Reviews 129(1–3):35–78, 2007
  7. Minton, D.A. and Malhotra, R., Assessing the Massive Young Sun Hypothesis to Solve the Warm Young Earth Puzzle, Astrophysical J. 660:1700–1706, 10 mei 2007
  8. Sackmann, J. and Boothroyd, A.I., Our Sun. V. A bright young Sun consistent with helioseismology and warm temperatures on ancient Earth and Mars, Astrophysical J. 583:1024–1039, 2003
  9. Minton, D., Was the Earth always at 1 AU (and was the Sun always one solar mass)? (online videopresentatie), webcast.stsci.edu, 10 april 2012
  10. Purdue University, Why Earth is not an ice ball: Possible explanation for faint young sun paradox, ScienceDaily, sciencedaily.com, 30 mei 2012
  11. Villard, R., Was Earth a Migratory Planet? Discovery News, news.discovery.com, 18 april 2012
  12. Spencer, W.R., Migrating planets and migrating theoriesJ. Creation 21(3):12–14, 2007
  13. NASA, Hubble finds a star eating a planet, ScienceDaily, sciencedaily.com, 21 May 2012
  14. University of Washington, Weird orbits of neighbors can make ‘habitable’ planets not so habitable, ScienceDaily, sciencedaily.com, 24 May 2012
  15. Kamiya, K., Bennett, D.P. et al., Unbound or distant planetary mass population detected by gravitational microlensing, Nature 473:349–352, June 2011
  16. Samec, R.G., On the origin of the lunar mariaJ. Creation 22(3):101–108, 2008