En ny teori om hvordan planeter dannes finner havner av stabilitet midt i voldsom turbulens i den virvlende gassen som omgir en ung stjerne. Disse beskyttede områdene er der planeter kan begynne å danne seg uten å bli ødelagt. Teorien vil bli publisert i februarutgaven av tidsskriftet Icarus.
“Dette er en annen måte å komme i gang med en planet. Det gifter seg med de to viktigste teoriene om planetdannelse, ”sa Richard Durisen, professor i astronomi og styreleder for den avdelingen ved Indiana University Bloomington. Durisen er ledende innen bruk av datamaskiner for å modellere planetdannelse.
Når han ser på simuleringene hans kjøres på en dataskjerm, er det lett å forestille seg å se ned fra et utsiktspunkt på interstellarområdet og se på prosessen som faktisk skjer.
En grønn skive av gass virvler rundt en sentral stjerne. Etter hvert begynner spiralarmer med gult å vises på disken, noe som indikerer regioner hvor gassen blir tettere. Så dukker det opp noen få røde klatter, til å begynne med bare antydninger, men gradvis mer stabile. Disse røde områdene er enda tettere, og viser hvor det samler seg opp gass som senere kan bli planeter.
De turbulente gassene og de virvlende skivene er matematiske konstruksjoner ved bruk av hydrodynamikk og datagrafikk. Datamaskinmonitoren viser resultatene fra forskernes beregninger som fargerike animasjoner.
"Dette er skiver av gass og støv som astronomer ser rundt de fleste unge stjerner, som planeter dannes fra," forklarte Durisen. "De er som et gigantisk boblebad som virvler rundt stjernen i bane. Vårt eget solsystem ble dannet av en slik disk. ”
Forskere kjenner nå til mer enn 130 planeter rundt andre stjerner, og nesten alle av dem er minst like massive som Jupiter. "Gassgigantplaneter er mer vanlige enn vi kunne ha gjettet til og med for 10 år siden," sa han. "Naturen er ganske god til å lage disse planetene."
Nøkkelen til å forstå hvordan planeter lages er et fenomen som kalles gravitasjonsinstabiliteter, ifølge Durisen. Forskere har lenge tenkt at hvis gassskiver rundt stjernene er enorme nok og kalde nok, skjer disse ustabilitetene, slik at tyngdekraften kan overvelde gasstrykket og få deler av disken til å trekke seg sammen og danne tette klumper, som kan bli planeter.
En gravitasjonsmessig ustabil disk er imidlertid et voldelig miljø. Interaksjoner med annet diskmateriale og andre klumper kan kaste en potensiell planet inn i den sentrale stjernen eller rive den fra hverandre fullstendig. Hvis planeter skal dannes på en ustabil disk, trenger de et mer beskyttet miljø, og Durisen tror han har funnet en.
Når simuleringene hans kjøres, dannes ringer av gass på disken i kanten av et ustabilt område og blir tettere. Hvis faste partikler som samler seg i en ring raskt vandrer til midten av ringen, kan kjernen til en planet dannes mye raskere.
Tidsfaktoren er viktig. En stor utfordring som Durisen og andre teoretikere står overfor er en nylig oppdagelse av astronomer som gigantiske gassplaneter som Jupiter danner ganske raskt etter astronomiske standarder. De må - ellers blir gassen de trenger borte.
"Astronomer vet nå at massive gassskiver rundt unge stjerner har en tendens til å forsvinne i løpet av noen millioner år," sa Durisen. "Så det er sjansen til å lage gassrike planeter. Jupiter og Saturn og planetene som er vanlige rundt andre stjerner, er alle gassgiganter, og disse planetene må lages i løpet av dette få millioner år lange vinduet når det fremdeles er en betydelig mengde gassdisk rundt. ”
Dette behovet for hastighet forårsaker problemer for enhver teori med en rolig tilnærming til å danne planeter, for eksempel kjernetilstandsteorien som inntil nylig var standardmodellen.
"I kjernetilstandsteorien starter dannelsen av gassgigantplaneter av en prosess som ligner på hvordan planeter som Jorden akkumuleres," forklarte Durisen. “Solide gjenstander treffer hverandre og henger sammen og vokser i størrelse. Hvis en solid gjenstand vokser til å være omtrent ti ganger jordens masse, og det også er gass rundt, blir den massiv nok til å ta tak i mye av gassen etter tyngdekraften. Når det skjer, får du en rask vekst av en gassgigant planet. "
Problemet er at det tar lang tid å danne en solid kjerne på den måten - hvor som helst fra 10 til 100 millioner år. Teorien kan virke for Jupiter og Saturn, men ikke for dusinvis av planeter rundt andre stjerner. Mange av disse andre planetene har flere ganger massen til Jupiter, og det er veldig vanskelig å lage så enorme planeter etter kjernetilpasning.
Teorien om at gravitasjonsinstabiliteter i seg selv kan danne gassgigantplaneter ble først foreslått for mer enn 50 år siden. Den har nylig blitt gjenopplivet på grunn av problemer med kjernetilknytningsteorien. Ideen om at enorme gassmasser plutselig faller sammen av tyngdekraften for å danne en tett gjenstand, kanskje på bare noen få bane, passer absolutt til den tilgjengelige tidsrammen, men den har noen egne problemer.
I følge gravitasjonell ustabilitetsteori dannes spiralarmer i en gassskive og brytes deretter opp i klumper som er i forskjellige baner. Disse klumpene overlever og blir større til det dannes planeter rundt dem. Durisen ser disse klumpene i simuleringene sine - men de varer ikke lenge.
"Klumpene flyr rundt og skjær ut og formes på nytt og blir ødelagt om og om igjen," sa han. “Hvis gravitasjonsinstabilitetene er sterke nok, vil en spiralarm bryte inn i klumper. Spørsmålet er, hva skjer med dem? ”
Medforfattere av papiret er IU-doktorgradsstudent Kai Cai og to av Durisens tidligere studenter: Annie C. Mejia, postdoktor ved Institutt for astronomi, University of Washington; og Megan K. Pickett, førsteamanuensis i fysikk og astronomi, Purdue University Calumet.
Originalkilde: Indiana University News Release
