En ny teori om, hvordan planeter dannes, finder paradiser i form af voldsom turbulens i den hvirvlende gas, der omgiver en ung stjerne. Disse beskyttede områder er hvor planeter kan begynde at dannes uden at blive ødelagt. Teorien vil blive offentliggjort i februarudgaven af tidsskriftet Icarus.
”Dette er en anden måde at komme i gang med en planet. Det gifter sig med de to hovedteorier om planetdannelse, ”sagde Richard Durisen, professor i astronomi og formand for denne afdeling ved Indiana University Bloomington. Durisen er førende inden for brug af computere til at modellere planetdannelse.
Når han ser hans simuleringer køre på en computerskærm, er det let at forestille sig at se ned fra et udsigtspunkt i interstellar rum og se, hvordan processen faktisk sker.
En grøn gasskive hvirvler rundt om en central stjerne. Til sidst begynder spiralarme med gule at vises på disken, hvilket indikerer områder, hvor gassen bliver tættere. Derefter vises et par røde klatter, ved først bare tip, men derefter gradvis mere stabile. Disse røde regioner er endnu tættere, hvilket viser, hvor masser af gas samler sig, som senere kan blive planeter.
De turbulente gasser og virvlende skiver er matematiske konstruktioner ved hjælp af hydrodynamik og computergrafik. Computermonitoren viser resultaterne af forskernes beregninger som farverige animationer.
”Dette er skiverne med gas og støv, som astronomer ser omkring de fleste unge stjerner, hvorfra planeter dannes,” forklarede Durisen. ”De er som en kæmpe boblebad der hvirvler rundt om stjernen i kredsløb. Vores eget solsystem er dannet af en sådan disk. ”
Videnskabsmænd kender nu mere end 130 planeter omkring andre stjerner, og næsten alle af dem er mindst lige så massive som Jupiter. ”Gasgigantplaneter er mere almindelige, end vi selv havde kunnet gætte for 10 år siden,” sagde han. "Naturen er temmelig god til at fremstille disse planeter."
Nøglen til at forstå, hvordan planeter fremstilles, er ifølge Durisen et fænomen kaldet gravitationsinstabiliteter. Videnskabsmænd har længe troet, at hvis gasskiver omkring stjerner er massive nok og kolde nok, sker disse ustabiliteter, hvilket tillader, at diskens tyngdekraft overvælder gastrykket og får dele af disken til at trække sammen og danne tætte klumper, der kan blive planeter.
En gravitationsmæssigt ustabil disk er imidlertid et voldsomt miljø. Interaktion med andet diskmateriale og andre klumper kan kaste en potentiel planet ind i den centrale stjerne eller rive den fra hinanden fuldstændigt. Hvis planeter skal dannes på en ustabil disk, har de brug for et mere beskyttet miljø, og Durisen mener, at han har fundet en.
Når hans simuleringer kører, dannes ringe af gas i disken ved kanten af et ustabilt område og bliver mere tæt. Hvis faste partikler, der akkumuleres i en ring, hurtigt migrerer til midten af ringen, kan kernen i en planet dannes meget hurtigere.
Tidsfaktoren er vigtig. En stor udfordring, som Durisen og andre teoretikere står overfor, er en nylig opdagelse fra astronomer om, at gigantiske gasplaneter som Jupiter danner forholdsvis hurtigt efter astronomiske standarder. De er nødt til det - ellers bliver den gas, de har brug for, væk.
”Astronomer ved nu, at massive gasskiver omkring unge stjerner har en tendens til at forsvinde i løbet af et par millioner år,” sagde Durisen. ”Så det er chancen for at lave gasrige planeter. Jupiter og Saturn og planeterne, der er almindelige omkring andre stjerner, er alle gasgiganter, og disse planeter skal laves i dette vindue på få millioner år, når der stadig er en betydelig mængde gasskive rundt omkring. ”
Dette behov for hastighed skaber problemer for enhver teori med en afslappet tilgang til dannelse af planeter, såsom den kernetilstandsteori, der indtil for nylig var standardmodellen.
"I kernetilstandsteorien starter dannelsen af gasgigantplaneter ved en proces, der ligner den måde, planeter som Jorden akkumulerer," forklarede Durisen. ”Solide genstande rammer hinanden og klæber sammen og vokser i størrelse. Hvis en solid genstand vokser til at være omkring 10 gange Jordens masse, og der også er gas omkring, bliver den massiv nok til at gribe ind i en masse af gassen ved hjælp af tyngdekraften. Når det sker, får du hurtig vækst af en gasgigantplanet. ”
Problemet er, det tager lang tid at danne en solid kerne på den måde - hvor som helst fra ca. 10 millioner til 100 millioner år. Teorien fungerer muligvis for Jupiter og Saturn, men ikke for snesevis af planeter omkring andre stjerner. Mange af disse andre planeter har flere gange massen af Jupiter, og det er meget svært at fremstille så enorme planeter efter kernetilslutning.
Teorien om, at gravitationsinstabiliteter i sig selv kan danne gasgigantplaneter blev først foreslået for mere end 50 år siden. Det er for nylig blevet genoplivet på grund af problemer med den grundlæggende accretionsteori. Ideen om, at enorme gasmasser pludselig kollapses af tyngdekraften for at danne et tæt objekt, måske på kun få baner, passer bestemt til den tilgængelige tidsramme, men den har nogle egne problemer.
I henhold til gravitationsinstabilitetsteorien dannes spiralarme i en gasskive og bryder derefter op i klumper, der er i forskellige kredsløb. Disse klumper overlever og bliver større, indtil der dannes planeter omkring dem. Durisen ser disse klumper i sine simuleringer - men de holder ikke længe.
”Klumperne flyver rundt og klipper ud og formes igen og ødelægges igen og igen,” sagde han. ”Hvis gravitationsinstabiliteterne er stærke nok, vil en spiralarm bryde ind i klumper. Spørgsmålet er, hvad sker der med dem? ”
Medforfattere til papiret er IU-doktorand Kai Cai og to af Durisens tidligere studerende: Annie C. Mejia, postdoktor ved Institut for Astronomi, University of Washington; og Megan K. Pickett, lektor i fysik og astronomi, Purdue University Calumet.
Original kilde: Indiana University News Release
