Geheimen van Snelle Planeetvorming: Protoplanetaire Puzzels Opgelost met Hyper Snelheid

Illustratie van een model dat laat zien hoe gasreuzen zoals Jupiter, Saturnus of Uranus ook snel kunnen ontstaan in het zonnestelsel vanuit het stof van een protoplanetaire schijf en vervolgens stof naar gebieden buiten hun baan kunnen drijven. Credit: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Onderzoekers hebben een nieuw model ontwikkeld voor planeetvorming dat laat zien hoe verstoringen in protoplanetaire schijven snel gasreuzen kunnen vormen. Dit proces is efficiënter dan eerder werd gedacht en sluit aan bij recente waarnemingen van verre gasreuzen.

Onze directe kosmische buurt is ons zonnestelsel. We kennen het goed: de Zon in het midden; dan de rotsachtige planeten Mercurius, Venus, de Aarde en Mars; en dan de asteroïdengordel; gevolgd door de gasreuzen Jupiter en Saturnus; dan de ijsreuzen Uranus en Neptunus; en tot slot de Kuipergordel met zijn kometen.

Maar hoe goed kennen we ons echt thuis? Eerdere theorieën gingen ervan uit dat reuzenplaneten worden gevormd door botsingen en opeenhopingen van asteroïde-achtige hemellichamen, zogenaamde planetesimalen, en de daaropvolgende accretie van gas gedurende miljoenen jaren. Deze modellen verklaren echter noch het bestaan van gasreuzen ver van hun sterren noch de vorming van Uranus en Neptunus.

Astrofysici van de Ludwig Maximilian Universiteit van München (LMU), het ORIGINS-cluster en het Max Planck Instituut voor Zonnestelselonderzoek (MPS) hebben het allereerste model ontwikkeld dat alle noodzakelijke fysische processen bevat die een rol spelen bij planeetvorming. Met behulp van dit model hebben ze aangetoond dat annulaire verstoringen in protoplanetaire schijven, zogenaamde substructuren, de snelle vorming van meerdere gasreuzen kunnen triggeren. De resultaten van de studie komen overeen met de laatste observaties en geven aan dat de vorming van reuzenplaneten efficiënter en sneller kan verlopen dan eerder werd gedacht.

“Wanneer een planeet groot genoeg wordt om invloed uit te oefenen op de gas schijf, leidt dit tot hernieuwde stofverrijking verder uit de schijf. In het proces drijft de planeet het stof - als een herdershond die zijn kudde achtervolgt - naar het gebied buiten zijn eigen baan.” — Prof. Til Birnstiel

Met hun model laten de onderzoekers zien hoe millimetergrote stofdeeltjes aerodynamisch ophopen in de turbulente gas schijf en hoe deze initiële verstoring in de schijf stof vangt en voorkomt dat het verdwijnt in de richting van de ster. Deze ophoping maakt de groei van planeten zeer efficiënt, omdat er plotseling veel “bouwmateriaal” beschikbaar is binnen een compact gebied en de juiste omstandigheden voor planeetvorming aanwezig zijn.

“Wanneer een planeet groot genoeg wordt om invloed uit te oefenen op de gas schijf, leidt dit tot hernieuwde stofverrijking verder uit de schijf,” legt Til Birnstiel, Professor in Theoretische Astrofysica aan de LMU en lid van het ORIGINS Cluster van Excellentie, uit. “In het proces drijft de planeet het stof - als een herdershond die zijn kudde achtervolgt - naar het gebied buiten zijn eigen baan.” Het proces begint opnieuw, van binnen naar buiten, en er kan een andere reuzenplaneet worden gevormd. “Dit is de eerste keer dat een simulatie het proces heeft getraceerd waarbij fijn stof uitgroeit tot reuzenplaneten,” merkt Tommy Chi Ho Lau, hoofdauteur van de studie en doctoraatskandidaat aan de LMU, op.

In ons zonnestelsel bevinden de gasreuzen zich op een afstand van ongeveer 5 astronomische eenheden (AE) (Jupiter) tot 30 AE (Neptunus) van de Zon. Ter vergelijking, de Aarde staat ongeveer 150 miljoen kilometer van de Zon vandaan, wat overeenkomt met 1 AE.

De studie toont aan dat in andere planetaire systemen een verstoring het proces op gang kan brengen op veel grotere afstanden en nog steeds erg snel kan plaatsvinden. Dergelijke systemen zijn de afgelopen jaren vaak waargenomen door de ALMA-radiotelescoop, die gasreuzen heeft gevonden in jonge schijven op een afstand van meer dan 200 AE. Het model verklaart echter ook waarom ons zonnestelsel ogenschijnlijk stopte met het vormen van extra planeten na Neptunus: het bouwmateriaal was simpelweg opgebruikt.

De resultaten van de studie komen overeen met huidige observaties van jonge planetaire systemen die uitgesproken substructuren in hun schijven hebben. Deze substructuren spelen een beslissende rol in de vorming van planeten. De studie geeft aan dat de vorming van gasreuzen en reuzenplaneten met grotere efficiëntie en snelheid verloopt dan eerder werd aangenomen. Deze nieuwe inzichten zouden ons begrip van de oorsprong en ontwikkeling van de reuzenplaneten in ons zonnestelsel kunnen verfijnen en de diversiteit van waargenomen planetaire systemen kunnen verklaren.

Referentie: “Sequential giant planet formation initiated by disc substructure” van Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska en Sebastian Markus Stammler, 31 juli 2024, Astronomie & Astrofysica. DOI: 10.1051/0004-6361/202450464