De hemellichamen die onze onmiddellijke omgeving in het zonnestelsel bevolken, zijn allemaal steenachtig: Mercurius, Venus, de aarde, de maan, Mars en de planetoïden hebben allemaal een vaste ondergrond, grotendeels bestaande uit ijzer en steen in verschillende verhoudingen. Sommige van deze planeten hebben wel oceanen of dampkringen, maar het overgrote deel van hun massa bestaat uit vaste stoffen.
Dit is niet het geval bij de planeten die verder weg van de zon liggen: Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus bestaan grotendeels uit gassen. Ze zijn bovendien veel groter dan alle steenachtige lichamen samen. Daarom spreken we van "gasreuzen".
Bij de vorming van het zonnestelsel konden de gasplaneten (die in hun prille stadium net zoals de aardse planeten vaste klompen van steen en ijs waren) door hun zwaartekracht de gassen uit de protoplanetaire nevel aantrekken en vasthouden. De aardachtige planeten konden dat niet, omdat zij kleiner waren en omdat er op hun plaats in het zonnestelsel minder gas was overgebleven. Ongeveer 1 miljoen jaar na het ontstaan van de accretieschijf begon de zonnewind te blazen, en deze verdreef het overblijvende gas uit het zonnestelsel.
Voorbij Neptunus konden zich geen gasreuzen ontwikkelen: daar daalt de temperatuur tot -100 °C en kunnen stoffen zoals waterstof en helium niet meer in gasvormige toestand voorkomen. Voorbij die grens vinden we dan ook enkel nog ijsdwergen en andere ijslichamen.
De binnenkant van de gasreuzen
Op het eerste gezicht lijken de vier gasreuzen erg op elkaar: ze hebben allemaal een kleine kern van steen, daarrond een laag ijs, en daarrond een mantel van waterstof. Metingen en berekeningen leren echter dat Jupiter en Saturnus, die ook veel groter zijn, qua samenstelling erg verschillen van de kleinere Uranus en Neptunus.
Jupiter en Saturnus hebben een heel kleine kern van steen en ijs, met daarrond een dikke mantel van waterstof. De grote massa van Jupiter en Saturnus zorgt voor een enorme druk in de planeet. Door die druk worden de elektronen losgerukt van de individuele waterstofkernen, en ontstaat een gemeenschappelijke elektronenzee. De waterstof wordt daardoor geleidend, en gaat zich als een vloeibaar metaal gedragen. Die metallische waterstof is ook verantwoordelijk voor de sterke magnetische velden van Jupiter en Saturnus. Vanaf een bepaalde afstand van de kern is de druk niet meer zo hoog en bestaat de mantel verder uit gewone waterstof.
Uranus en Neptunus hebben veel minder waterstof, en deze bevindt zich vooral in de buitenste lagen van de planeet. Daardoor hebben deze twee planeten een veel minder sterk magnetisch veld. Uranus en Neptunus hebben een mantel bestaande uit bevrozen water (H2O), methaan (CH4) en ammoniak (NH3). Wetenschappers noemen deze drie stoffen "ijs," hoewel ze door de druk en de warmte in de planeetkernen toch vloeibaar en heet zijn. Daarom worden Uranus en Neptunus ook wel "ijsreuzen" genoemd.
De atmosfeer van de gasreuzen
Bovenop de dikke gasmantel van de reuzenplaneten bevindt zich, net als bij sommige kleinere planeten, een atmosfeer. In tegenstelling tot de aardse planeten is er echter geen duidelijke scheidingslijn: door de toenemende druk gaat de gasvormige toestand langzaam over in een vloeibare toestand. De bovenkant van deze atmosfeer is vanop aarde te zien, en vertoont soms intrigerende wolkenpatronen.
Verschillende chemische elementen zorgen voor de kleuren van de wolken, en net als op aarde zorgen temperatuurverschillen en het corioliseffect voor weerpatronen. Stormen op de reuzenplaneten kunnen echter eeuwenlang duren, en blijven vaak op dezelfde plaats hangen. Jupiter bestaat bijvoorbeeld uit een reeks parallelle wolkenbanden die altijd op dezelfde breedtegraad blijven. De bekende rode vlek is een storm die al minstens 340 jaar aan de gang is, en een gebied bestrijkt dat tien keer zo groot is als de aarde. De Hubble Space Telescope kon op Jupiter bliksems zien die tot honderd keer sterker zijn dan die op aarde.
Bij de foto: Wolkenpatronen op Jupiter (links) en op Neptunus (rechts). Foto's: JPL
Uit spectraalanalyse weten we uit welke elementen de atmosferen van de reuzenplaneten bestaan. Bij Jupiter en Saturnus is dat een mix van ammoniak (NH3), ammoniak-hydrosulfide (NH4SH) en water (H2O), bij Uranus en Neptunus voornamelijk methaan (CH4).
Rondom de gasreuzen
De gasreuzen zijn geen alleenstaande planeten: door hun massa hebben ze allemaal een hele hoop maantjes rondom zich kunnen verzamelen. Sommige daarvan zijn zo groot als een kleine planeet, andere zijn niet veel meer dan een brok steen.
Sinds Galileo Galilei voor het eerst zijn telescoop op Saturnus richtte, weten we dat de planeet een zeer uitgebreid ringenstelsel heeft. Ook de andere gasplaneten blijken zeer dunne ringenstelsels te bezitten.