Billedkredit: NASA
Hvis fremmede astronomer omkring en fjern stjerne havde studeret den unge sol for fire og en halv milliard år siden, kunne de da have set tegn på en nydannet jord, der kredsede om denne uskyldige gule stjerne? Svaret er ja, ifølge Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) og Benjamin Bromley (University of Utah). Derudover siger deres computermodel, at vi kan bruge de samme tegn til at finde steder, hvor planeter i jordstørrelse i øjeblikket danner unge verdener, som en dag kan være vært for deres eget liv.
Nøglen til at lokalisere nyfødte jordarter, siger Kenyon og Bromley, er ikke at se efter planeten selv, men efter en støvring, der kredser om stjernen, der er et fingeraftryk for jordbunden (klippet) planetdannelse.
”Chancerne er, at hvis der er en ring af støv, er der en planet,” siger Kenyon.
Gode planeter er svære at finde
Vores solsystem dannet fra en hvirvlende disk med gas og støv, kaldet en protoplanetær disk, der kredser om den unge sol. De samme materialer findes i hele vores galakse, så fysiklove forudsiger, at andre stjernesystemer vil danne planeter på en lignende måde.
Selvom planeter kan være almindelige, er de vanskelige at opdage, fordi de er for svage og placeret for tæt på en meget lysere stjerne. Derfor søger astronomer planeter ved at lede efter indirekte bevis for deres eksistens. I unge planetariske systemer kan dette bevis være til stede i selve disken, og i hvordan planeten påvirker den støvede disk, som den danner fra.
Store planeter i Jupiter-størrelse har en stærk tyngdekraft. Denne tyngdekraft påvirker den støvede disk kraftigt. En enkelt Jupiter kan rydde et ringformet hul i disken, fordreje disken eller skabe koncentrerede skår af støv, der efterlader et mønster på disken som et kølvandet fra en båd. Tilstedeværelsen af en gigantisk planet forklarer muligvis det vågne-lignende mønster set på disken omkring den 350 millioner år gamle stjerne Vega.
Små, jordstore verdener har på den anden side svagere tyngdekraft. De påvirker disken mere svagt og efterlader mere subtile tegn på deres tilstedeværelse. I stedet for at kigge efter varp eller vågner, anbefaler Kenyon og Bromley at kigge efter at se, hvor lyse stjernesystemet er på infrarøde (IR) bølgelængder af lys. (Infrarødt lys, som vi opfatter som varme, er lys med længere bølgelængder og mindre energi end synligt lys.)
Stjerner med støvede diske er lysere i IR end stjerner uden diske. Jo mere støv et stjernesystem holder, jo lysere er det i IR. Kenyon og Bromley har vist, at astronomer kan bruge IR-lysstyrker ikke kun til at detektere en disk, men også for at fortælle, hvornår en jordstørrelse planet dannes inden for denne disk.
”Vi var de første til at beregne de forventede niveauer af støvproduktion og dertil knyttede infrarøde overskydninger, og de første til at demonstrere, at jordbunden planetdannelse producerer observerbare mængder støv,” siger Bromley.
Bygning af planeter fra bunden op
Den mest udbredte teori om planetdannelse kræver bygning af planeter "fra grunden op." I henhold til koagulationsteorien kolliderer og klistrer små bits af stenet materiale i en protoplanetær disk. Over tusinder af år vokser små klumper til større og større klumper, som at bygge en snemand en håndfuld sne ad gangen. Til sidst vokser de klippeklodser så store, at de bliver fulde planeter.
Kenyon og Bromley modellerer plandannelsesprocessen ved hjælp af et komplekst computerprogram. De “frø” en protoplanetær disk med en milliard planetesimaler, der er 0,6 mil (1 kilometer) i størrelse, som alle kredser om en central stjerne, og trækker systemet frem i tid for at se, hvordan planeter udvikler sig fra disse basale ingredienser.
”Vi gjorde simuleringen så realistisk som vi kunne og afslutter stadig beregningerne i en rimelig tidsperiode,” siger Bromley.
De fandt, at planetdannelsesprocessen var bemærkelsesværdig effektiv. Oprindeligt forekommer kollisioner mellem planetesimaler med lave hastigheder, så kolliderende genstande har tendens til at flette og vokse. I en typisk jord-solafstand tager det kun ca. 1000 år for 1-kilometer-objekter at vokse til 100-kilometer (60-mile) objekter. Yderligere 10.000 år producerer protoplaneter med en diameter på 600 mile, som vokser over yderligere 10.000 år til at blive protoplaneter med en diameter på 1200 mile. Derfor kan objekter i månestørrelse dannes i så lidt som 20.000 år.
Når planetesimaler inden for disken bliver større og mere massiv, bliver deres tyngdekraft stærkere. Når et par af objekterne når en størrelse på 600 miles, begynder de at "omrøre" de resterende mindre objekter. Tyngdekraften slynger de mindre, asteroide store klippebunke til højere og højere hastigheder. De rejser så hurtigt, at når de kolliderer, smelter de sig ikke sammen - de pulveriserer og smadrer hinanden voldsomt. Mens de største protoplaneter fortsætter med at vokse, slibes resten af de stenede planetesimaler hinanden i støv.
”Støvet dannes lige der, hvor planeten dannes, i samme afstand fra sin stjerne,” siger Kenyon. Som et resultat indikerer støvets temperatur, hvor planeten dannes. Støv i en Venuslignende bane vil være varmere end støv i en jordlignende bane, hvilket giver en anelse om spædbarnets planet afstand fra dens stjerne.
Størrelsen på de største objekter på disken bestemmer støvproduktionshastigheden. Mængden af støv topper sig, når der er dannet 600 mil protoplaneter.
”Spitzer-rumteleskopet skal være i stand til at registrere sådanne støvtoppe,” siger Bromley.
I øjeblikket dækker Kenyon og Bromleys jordbaserede planetdannelsesmodel kun en brøkdel af solsystemet, fra Venus bane til en afstand omkring halvvejs mellem Jorden og Mars. I fremtiden planlægger de at udvide modellen til at omfatte bane så tæt på Solen som Merkur og så fjern som Mars.
De har også modelleret dannelsen af Kuiper Belt - en region med små, iskolde og stenede objekter ud over Neptuns bane. Det næste logiske trin er at modellere dannelsen af gasgiganter som Jupiter og Saturn.
”Vi begynder ved kanterne af solsystemet og arbejder indad,” siger Kenyon med et flirer. ”Vi arbejder også helt op i massen. Jorden er 1000 gange mere massiv end et Kuiper Belt-objekt, og Jupiter er 1000 gange mere massiv end Jorden. ”
”Vores ultimative mål er at modellere og forstå dannelsen af hele vores solsystem.” Kenyon estimerer, at deres mål er opnåeligt inden for et årti, da computerhastigheden fortsætter med at stige, hvilket muliggør simulering af et helt solsystem.
Denne forskning blev offentliggjort i 20. februar 2004, udgaven af The Astrophysical Journal Letters. Yderligere information og animationer er tilgængelige online på http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Hovedkvarter i Cambridge, Mass., Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics er et fælles samarbejde mellem Smithsonian Astrophysical Observatory og Harvard College Observatory. CfA-forskere, der er organiseret i seks forskningsafdelinger, studerer universets oprindelse, udvikling og ultimative skæbne.
Original kilde: CfA News Release
