Exceptioneel Ordinaire Fysica 19

In deze rubriek kijken we naar de bijzondere fysica die schuilgaat achter dagdagelijkse voorwerpen en fenomenen. Ditmaal ga ik jullie vertellen over de connectie tussen een stoffige vensterbank van de UGent en een onopgelost probleem in de vorming van rotsplaneten in het universum.

Dit verhaal begint bij de JVS-Dag van 2023 in Gent. Al wachtend op heerlijke croque-monsieurs zaten we met een paar jonge leden uit het raam te turen van campus De Sterre. Toen viel ons plots een laagje stof op dat op de vensterbank lag (zie figuur 1). Er was namelijk iets bijzonders mee aan de hand. Dichtbij het raam was dit laagje stof veel dikker dan op de rest van de vensterbank. Misschien denk je nu: ‘ok, so what?’, maar hier schuilt dus echt een fascinerende vraag achter met een nog fascinerender antwoord. De vraag is: ‘Waarom?’. De leden hadden geen idee waarom het laagje dikker was bij het raam. En ik ook niet! Ik schreef de vraag op om ooit te behandelen in deze rubriek. En dat was de moeite. Hou je vast.

We beginnen bij de oorsprong van stof. Stof bestaat uit een verzameling van dode huidcellen, haar, vezels uit je kleding en deeltjes afkomstig uit de lucht buiten je huis. Wist je dat je elke minuut ongeveer 30.000 dode huidcellen verliest? Stof bestaat dus uit vaste deeltjes die verschillen in afkomst en grootte. Het meeste stof is zo’n 5 tot 100 micron groot. Omdat het zo klein is, heeft de zwaartekracht er nauwelijks vat op en blijft stof lange tijd in de lucht ‘hangen’. Voortdurend botsen er dan luchtdeeltjes tegen die het stof op willekeurige wijze alle kanten uit knikkeren. Dit effect heet ‘Browniaanse beweging’ en werd het eerst verklaard door een jonge Albert Einstein in 1905.

Maar waarom lag er dan meer stof dicht bij dat raam van de UGent? Wel, dat komt door een verschil in luchttemperatuur. Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller luchtdeeltjes bewegen en hoe harder ze ook tegen het stof botsen. Het raam van de UGent was op de winterdag van 25 februari een stuk kouder dan de rest van het lokaal. Daardoor ontstond er een overgang in temperatuur tussen de lucht die net tegen het raam zat en de lucht in de rest van de ruimte. Hierdoor was de lucht aan de raamkant van elk stofdeeltje ook een stukje kouder dan aan de kant van het lokaal en botsten de deeltjes aan de raamkant minder hard tegen elk stofje (zie figuur 2). Het gevolg is dat alle stofdeeltjes naar het raam toe gebotst werden. Daardoor hebben koude ramen een soort aantrekkingskracht op stofdeeltjes en dwarrelen ze dus vooral dicht bij een raam neer. Omgekeerd hebben warme objecten in een kamer, zoals een lamp of radiator, juist een afstotend effect. Dit effect, waarbij stofdeeltjes in een gas bewegen in de richting van lagetemperatuur, heet ‘thermoforese’. Dát verklaart dus onze observatie van de JVS-Dag! Maar wat heeft dit te maken met planeetvorming?

Wel, het beginstadium van een planetenstelsel ziet er een beetje uit als een stoffige huiskamer. Je hebt in het midden een protoster die omgeven is door een platte schijf van gas en stof. Dit stof ‘hangt’ in het gas en wordt voortdurend bekogeld door gasmoleculen. Dat is net als de stofdeeltjes in een aardse huiskamer. Verspreid in die protoplanetaire huiskamer zitten ook ‘meubels’, kleine rotsachtige voorlopers van wat uiteindelijk rotsplaneten zullen worden. Deze rotsblokken zijn ontstaan doordat stofdeeltjes in het verleden tegen elkaar zijn gebotst, bleven plakken en samensmolten tot grotere steentjes. Om een planeet te worden, moeten ze groeien tot ze duizenden kilometers groot zijn. Maar wanneer deze steentjes gegroeid zijn tot ongeveer een meter groot, ontstaat er een probleem. Als ze dan tegen elkaar botsen, blijven ze niet altijd meer plakken. De kans is dan even groot dat ze opbreken in kleinere stukken. Daardoor vertraagt de groei van rotsblokken enorm in onze simulaties van planeetvorming op het moment dat ze een doorsnede van één meter bereiken. We snappen niet hoe rotsplaneten kunnen ontstaan in slechts een paar miljoen jaar.

Wat blijkt nu… thermoforese kan ons hierbij helpen! De rotsblokken in een protoplanetaire schijf zijn kouder dan het gas dat zich daarrond bevindt. Daardoor ontstaat er net zoals bij dat raam van de UGent een zuigende thermoforese kracht die nieuwe stofdeeltjes naar dat rotsblok kan toezuigen. Door thermoforese kunnen deze stenen dan toch blijven groeien wanneer ze een meter groot zijn en ziezo, we hebben planeetvorming verklaard aan de hand van een stoffige vensterbank van de UGent!
Blijf nieuwsgierig!