Bildekreditt: NASA
Hvis fremmede astronomer rundt en fjern stjerne hadde studert den unge solen for fire og en halv milliard år siden, kunne de da ha sett tegn på en nylig dannet jord i bane rundt denne uskyldige gule stjernen? Svaret er ja, ifølge Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) og Benjamin Bromley (University of Utah). Dessuten sier datamaskinmodellen deres at vi kan bruke de samme skiltene for å finne steder der planeter i jordstørrelse for tiden danner unge verdener som en dag kan være vertskap for sitt eget liv.
Nøkkelen til å lokalisere nyfødte jordarter, sier Kenyon og Bromley, er å ikke se etter planeten selv, men etter en støvring som kretser rundt stjernen som er et fingeravtrykk for jordisk (steinete) planetdannelse.
"Sjansen er stor, hvis det er en ring av støv, er det en planet," sier Kenyon.
Gode planeter er vanskelig å finne
Solsystemet vårt dannet fra en virvlende skive med gass og støv, kalt en protoplanetær skive, som kretser rundt den unge solen. De samme materialene finnes i hele galaksen vår, så fysikkens lover forutsier at andre stjernesystemer vil danne planeter på lignende måte.
Selv om planeter kan være vanlige, er de vanskelige å oppdage fordi de er for svake og ligger for nær en mye lysere stjerne. Derfor søker astronomer planeter ved å lete etter indirekte bevis på deres eksistens. I unge planetariske systemer kan det være bevis på selve disken, og for hvordan planeten påvirker den støvete disken den dannes fra.
Store planter av Jupiter-størrelse har sterk tyngdekraft. At tyngdekraften påvirker den støvete disken sterkt. En enkelt Jupiter kan fjerne et ringformet gap i disken, fordrepe disken eller lage konsentrerte støvskår som etterlater et mønster på disken som et kjølvann fra en båt. Tilstedeværelsen av en gigantisk planet kan forklare det våkneignende mønsteret som ble sett på disken rundt den 350 millioner år gamle stjernen Vega.
Små, jordstore verdener har derimot svakere tyngdekraft. De påvirker disken svakere, og etterlater mer subtile tegn på deres tilstedeværelse. I stedet for å lete etter varp eller våkner, anbefaler Kenyon og Bromley å se hvor lyse stjernesystemet er på infrarøde (IR) bølgelengder av lys. (Infrarødt lys, som vi oppfatter som varme, er lys med lengre bølgelengder og mindre energi enn synlig lys.)
Stjerner med støvete disker er lysere i IR enn stjerner uten disker. Jo mer støv et stjernesystem holder, jo lysere er det i IR. Kenyon og Bromley har vist at astronomer kan bruke IR-lysstyrker ikke bare for å oppdage en disk, men også for å fortelle når en jordstørrelse planet dannes på den disken.
"Vi var de første til å beregne de forventede nivåene av støvproduksjon og tilhørende infrarøde overskridelser, og de første som demonstrerte at jordformet planetdannelse produserer observerbare mengder støv," sier Bromley.
Bygge planeter fra grunnen av
Den mest utbredte teorien om planetdannelse krever bygging av planeter "fra grunnen av." I følge koagulasjonsteorien kolliderer og klistrer små biter med steinete materiale på en protoplanetær disk. Over tusenvis av år vokser små klumper seg til større og større klumper, som å bygge en snømann en håndfull snø om gangen. Etter hvert vokser de svabergene så store at de blir fullverdige planeter.
Kenyon og Bromley modellerer plandannelsesprosessen ved å bruke et komplekst dataprogram. De “frø” en protoplanetær disk med en milliard planetesim som er 0,6 miles (1 kilometer) i størrelse, som alle går i bane rundt en sentral stjerne, og skrider systemet fremover i tid for å se hvordan planeter utvikler seg fra de grunnleggende ingrediensene.
"Vi gjorde simuleringen så realistisk som vi kunne, og fortsatt fullfører beregningene på rimelig tid," sier Bromley.
De syntes at planetdannelsesprosessen var bemerkelsesverdig effektiv. Opprinnelig oppstår kollisjoner mellom planetesimaler med lave hastigheter, så kolliderende gjenstander har en tendens til å flette og vokse. På en typisk jord-sol-avstand tar det bare rundt 1000 år for 1 kilometer lange gjenstander å vokse til 100 kilometer (60 mil) objekter. Ytterligere 10.000 år produserer protoplaneter med en diameter på 600 kilometer, som vokser over ytterligere 10.000 år til å bli protoplaneter med en diameter på 1200 kilometer. Derfor kan objekter i månestørrelse dannes på så lite som 20 000 år.
Når planetesimene i disken blir større og mer massive, blir gravitasjonen deres sterkere. Når noen få av objektene når en størrelse på 600 mil, begynner de å "røre opp" de gjenværende mindre gjenstandene. Tyngdekraften slynger de mindre biter av asteroidestørrelse til høyere og høyere hastigheter. De reiser så fort at når de kolliderer, slår de seg ikke sammen - de pulveriserer og knuser hverandre voldsomt. Mens de største protoplanetene fortsetter å vokse, sliper resten av de steinete planetesimalene hverandre til støv.
"Støvet dannes akkurat der planeten dannes, i samme avstand fra stjernen," sier Kenyon. Som et resultat indikerer støvets temperatur hvor planeten dannes. Støv i en Venus-lignende bane vil være varmere enn støv i en jordlignende bane, og gi en pekepinn på babyens planet avstand fra stjernen.
Størrelsen på de største objektene på disken bestemmer støvproduksjonstakten. Støvmengden topper seg når 600 mil protoplaneter har dannet seg.
"Spitzer-romteleskopet skal kunne oppdage slike støvtopper," sier Bromley.
For tiden dekker Kenyon og Bromleys jordformasjonsmodell for jord bare en brøkdel av solsystemet, fra bane til Venus til en avstand omtrent halvveis mellom Jorden og Mars. I fremtiden planlegger de å utvide modellen til å omfatte baner like nær solen som kvikksølv og like fjern som Mars.
De har også modellert dannelsen av Kuiper Belt - en region med små, iskalde og steinete gjenstander utenfor bane til Neptun. Det neste logiske trinnet er å modellere dannelsen av gassgiganter som Jupiter og Saturn.
"Vi begynner på kantene av solsystemet og jobber innover," sier Kenyon med et flir. ”Vi jobber også helt opp i massen. Jorden er 1000 ganger mer massiv enn en Kuiper Belt-gjenstand, og Jupiter er 1000 ganger mer massiv enn Jorden. ”
"Vårt endelige mål er å modellere og forstå dannelsen av hele solsystemet." Kenyon anslår at målet deres er oppnåelig i løpet av et tiår, ettersom datahastigheten fortsetter å øke, noe som muliggjør simulering av et helt solsystem.
Denne forskningen ble publisert i februar 20, 2004, utgaven av The Astrophysical Journal Letters. Mer informasjon og animasjoner er tilgjengelig online på http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, med hovedkontor i Cambridge, Mass., Er et felles samarbeid mellom Smithsonian Astrophysical Observatory og Harvard College Observatory. CfA-forskere, organisert i seks forskningsavdelinger, studerer universets opprinnelse, evolusjon og endelige skjebne.
Originalkilde: CfA News Release
