Astronomer viser, hvordan planeter dannes i binære systemer uden at blive knust

Astronomer har udviklet den mest realistiske model til dato for planetdannelse i binære stjernesystemer.

Forskerne, fra University of Cambridge og Max Planck Institute for Extra-terrestrial Physics, har vist, hvordan exoplaneter i binære stjernesystemer – såsom 'Tatooine'-planeterne spottet af NASAs Kepler-rumteleskop – blev til uden at blive ødelagt i deres kaotiske fødselsmiljø.

De studerede en type binært system, hvor den mindre følgestjerne kredser om den større moderstjerne cirka en gang hvert 100. år - vores nærmeste nabo, Alpha Centauri, er et eksempel på et sådant system.

"Et system som dette ville svare til en anden sol, hvor Uranus er, hvilket ville have fået vores eget solsystem til at se meget anderledes ud, " sagde medforfatter Dr. Roman Rafikov fra Cambridges Institut for Anvendt Matematik og Teoretisk Fysik, som også er medlem af Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey.

Rafikov og hans medforfatter Dr. Kedron Silsbee fra Max Planck Institute for Extra-terrestrial Physics fandt ud af, at for at planeter skulle dannes i disse systemer, planetesimalerne - planetariske byggesten, der kredser om en ung stjerne - skal starte med mindst 10 kilometer i diameter, og skiven af ​​støv og is og gas, der omgiver stjernen, hvori planeterne dannes, skal være relativt cirkulære.

Forskningen, som er udgivet i Astronomi og astrofysik , bringer studiet af planetdannelse i binære filer til et nyt niveau af realisme og forklarer, hvordan sådanne planeter, hvoraf en række er blevet opdaget, kunne have dannet sig.

Planetdannelse menes at begynde i en protoplanetarisk skive - primært lavet af brint, helium, og små partikler af is og støv - der kredser om en ung stjerne. Ifølge den nuværende førende teori om, hvordan planeter dannes, kendt som kernetilvækst, støvpartiklerne klæber til hinanden, til sidst danner større og større faste legemer. Hvis processen stopper tidligt, resultatet kan blive en stenet jordlignende planet. Hvis planeten bliver større end Jorden, så er dens tyngdekraft tilstrækkelig til at fange en stor mængde gas fra skiven, fører til dannelsen af ​​en gaskæmpe som Jupiter.

"Denne teori giver mening for planetsystemer dannet omkring en enkelt stjerne, men planetdannelse i binære systemer er mere kompliceret, fordi ledsagerstjernen opfører sig som en kæmpe æggepisker, dynamisk spændende protoplanetskiven, sagde Rafikov.

"I et system med en enkelt stjerne bevæger partiklerne i skiven sig med lave hastigheder, så de nemt hænger sammen, når de støder sammen, lader dem vokse, " sagde Silsbee. "Men på grund af den gravitationsmæssige 'æggeslag'-effekt af følgestjernen i et binært system, de faste partikler der kolliderer med hinanden med meget højere hastighed. Så, når de støder sammen, de ødelægger hinanden."

Mange exoplaneter er blevet opdaget i binære systemer, så spørgsmålet er, hvordan de kom dertil. Nogle astronomer har endda foreslået, at disse planeter måske svævede i det interstellare rum og blev suget ind af tyngdekraften af ​​en binær, for eksempel.

Rafikov og Silsbee udførte en række simuleringer for at hjælpe med at løse dette mysterium. De udviklede en detaljeret matematisk model for planetarisk vækst i en binær, der bruger realistiske fysiske input og redegør for processer, der ofte overses, såsom gasskivens gravitationsvirkning på planetesimals bevægelse indeni den.

"Disken er kendt for at påvirke planetesimalerne direkte gennem gasmodstand, fungerer som en slags vind, " sagde Silsbee. "For nogle år siden, vi indså, at ud over gasmodstanden, selve skivens tyngdekraft ændrer dramatisk dynamikken i planetesimalerne, i nogle tilfælde tillader planeter at dannes selv på trods af gravitationsforstyrrelser på grund af stjernekammeraten."

"Den model, vi har bygget, samler dette arbejde, samt andet tidligere arbejde, at teste planetdannelsesteorierne, sagde Rafikov.

Deres model fandt ud af, at planeter kan dannes i binære systemer som Alpha Centauri, forudsat at planetesimalerne starter med en størrelse på mindst 10 kilometer, og at selve den protoplanetariske skive er tæt på cirkulær, uden større uregelmæssigheder. Når disse betingelser er opfyldt, planetesimalerne i visse dele af skiven ender med at bevæge sig langsomt nok i forhold til hinanden til, at de hænger sammen i stedet for at ødelægge hinanden.

Disse resultater støtter en bestemt mekanisme for planetesimal dannelse, kaldet streaming ustabilitet, være en integreret del af planetdannelsesprocessen. Denne ustabilitet er en kollektiv effekt, involverer mange faste partikler i nærvær af gas, der er i stand til at koncentrere støvkorn på størrelse med småsten til sten for at producere nogle få store planetesimaler, som ville overleve de fleste kollisioner.

Resultaterne af dette arbejde giver vigtig indsigt for teorier om planetdannelse omkring både dobbeltstjerner og enkeltstjerner, samt til de hydrodynamiske simuleringer af protoplanetariske skiver i binære. I fremtiden, modellen kan også bruges til at forklare oprindelsen af ​​'Tatooine'-planeterne - exoplaneter, der kredser om begge komponenter i en binær - hvoraf omkring et dusin er blevet identificeret af NASAs Kepler-rumteleskop.