Hemligheter av Snabb Planetbildning: Protostellära Pussel Lösas i Hyper Haste

Illustration av en modell som visar hur gasjättar som Jupiter, Saturnus eller Uranus också snabbt kan bildas i solsystemet från dammet av en protoplanetär skiva och sedan driva damm till områden utanför deras omloppsbana. Kredit: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Forskare har utvecklat en ny modell för planetbildning som visar hur störningar i protoplanetära skivor snabbt kan skapa gasjättar. Denna process är mer effektiv än tidigare antaget och överensstämmer med nyligen gjorda observationer av avlägsna gasjättar.

Vår omedelbara kosmiska grannskap är vårt solsystem. Vi känner det väl: Solen i centrum; sedan de steniga planeterna Merkurius, Venus, Jorden och Mars; och sedan asteroidbältet; följt av gasjättarna Jupiter och Saturnus; sedan isjättarna Uranus och Neptunus; och slutligen Kuiperbältet med sina kometer.

Men hur väl känner vi egentligen vårt hem? Tidigare teorier har antagit att jätteplaneter bildas av kollisioner och ackumulationer av asteroidliknande himlakroppar, så kallade planetesimaler, och den efterföljande ackretionen av gas under loppet av miljontals år. Dessa modeller förklarar varken existensen av gasjättar belägna långt från sina stjärnor eller bildandet av Uranus och Neptunus.

Astrofysiker från Ludwig Maximilians Universitet i München (LMU), ORIGINS-klustret och Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) har utvecklat den första modellen som inkorporerar alla nödvändiga fysikaliska processer som spelar roll i planetbildning. Med hjälp av denna modell har de visat att ringformade störningar i protoplanetära skivor, så kallade substrukturer, kan utlösa den snabba bildandet av flera gasjättar. Resultaten av studien överensstämmer med de senaste observationerna och indikerar att bildandet av jätteplaneter kan ske mer effektivt och snabbare än tidigare antaget.

“När en planet blir tillräckligt stor för att påverka gasdisken leder detta till en förnyad dammbildning längre ut i disken. I processen driver planeten dammet - som en fårhund som jagar sin flock - in i området utanför sin egen omloppsbana.” - Prof. Til Birnstiel

Med sin modell visar forskarna hur millimeterstora dammpartiklar samlas aerodynamiskt i den turbulenta gasdisken, och hur denna initiala störning i disken fångar damm och förhindrar det från att försvinna mot stjärnan. Denna ackumulering gör tillväxten av planeter mycket effektiv, eftersom plötsligt mycket "byggmaterial" finns tillgängligt inom ett kompakt område och rätt förutsättningar för planetbildning är närvarande.

“När en planet blir tillräckligt stor för att påverka gasdisken leder detta till en förnyad dammbildning längre ut i disken,” förklarar Til Birnstiel, professor i teoretisk astrofysik vid LMU och medlem av ORIGINS Cluster of Excellence. "I processen driver planeten dammet - som en fårhund som jagar sin flock - in i området utanför sin egen omloppsbana." Processen börjar på nytt, från insidan till utsidan, och en annan gigantisk planet kan bildas. “Detta är första gången en simulering har spårat processen där fint damm växer till jätteplaneter,” observerar Tommy Chi Ho Lau, huvudförfattare till studien och doktorand vid LMU.

I vårt solsystem är gasjättarna belägna på ett avstånd av cirka 5 astronomiska enheter (au) (Jupiter) till 30 au (Neptunus) från Solen. Till jämförelse är Jorden cirka 150 miljoner kilometer från Solen, vilket motsvarar 1 au.

Studien visar att i andra planetsystem kan en störning sätta igång processen på mycket större avstånd och ändå ske väldigt snabbt. Sådana system har observerats frekvent på senare år av ALMA radioobservatoriet, som har hittat gasjättar i unga skivor på avstånd bortom 200 au. Modellen förklarar dock också varför vårt solsystem tydligen slutade bilda ytterligare planeter efter Neptunus: byggmaterialet var helt enkelt slut.

Resultaten av studien överensstämmer med aktuella observationer av unga planetsystem som har tydliga substrukturer i sina skivor. Dessa substrukturer spelar en avgörande roll i planetbildning. Studien indikerar att bildandet av jätteplaneter och gasjättar fortskrider med större effektivitet och hastighet än tidigare antaget. Dessa nya insikter kan förbättra vår förståelse för ursprunget och utvecklingen av de gigantiska planeterna i vårt solsystem och förklara mångfalden i observerade planetsystem.

Referens: "Sequential giant planet formation initiated by disc substructure" av Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Drążkowska och Sebastian Markus Stammler, 31 juli 2024, Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202450464