Hvordan planeter som Jupiter dannes

Unge gigantiske planeter er født af gas og støv. Forskere fra ETH Zürich og universiteterne i Zürich og Bern simulerede forskellige scenarier, der stolede på regnekraften fra Swiss National Supercomputing Center (CSCS) for at finde ud af, hvordan de nøjagtigt dannes og udvikler sig. De sammenlignede deres resultater med observationer og kunne blandt andet vise en stor forskel mellem de postulerede dannelsesmekanismer.

Astronomer opstillede to teorier, der forklarer, hvordan gasformige kæmpeplaneter som Jupiter eller Saturn kunne blive født. En bottom-up dannelsesmekanisme siger, at først, en fast kerne er samlet på cirka ti gange Jordens størrelse. "Derefter, denne kerne er massiv nok til at tiltrække en betydelig mængde gas og beholde den, " forklarer Judit Szulágyi, post-doc ved ETH Zürich og medlem af det schweiziske NCCR PlanetS. Den anden teori er et top-down dannelsesscenarie:Her er gasskiven omkring den unge stjerne så massiv, at på grund af selvtyngdekraften af ​​gasstøvet, spiralarme dannes med klumper indeni. Derefter, disse klumper kollapser via deres egen tyngdekraft direkte ind i en gasformig planet, ligner hvordan stjerner dannes. Den første mekanisme kaldes "core-accretion, " den anden "diskustabilitet." I begge tilfælde, der dannes en skive omkring gasgiganterne, kaldet den cirkumplanetære skive, som vil tjene som en fødselsrede for satellitter til at danne.

For at finde ud af, hvilken mekanisme der faktisk finder sted i universet, Judit Szulágyi og Lucio Mayer, Professor ved universitetet i Zürich, simulerede scenarierne på Piz Daint supercomputer ved Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano. "Vi pressede vores simuleringer til grænserne med hensyn til kompleksiteten af ​​den fysik, der blev tilføjet til modellerne, " forklarer Judit Szulágyi:"Og vi opnåede højere opløsning end nogen før."

I deres undersøgelser offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , forskerne fandt en stor forskel mellem de to dannelsesmekanismer:I scenariet med diskustabilitet, gassen i planetens nærhed forblev meget kold, omkring 50 Kelvin, hvorimod den cirkumplanetære skive i tilfælde af kernetilvækst blev opvarmet til flere hundrede Kelvins. "Simuleringerne af diskustabilitet er de første, der kan løse den cirkumplanetære skive omkring flere protoplaneter, ved hjælp af titusinder af opløsningselementer i det beregningsmæssige domæne. Vi udnyttede Piz Daint til at fremskynde beregningerne ved hjælp af grafikbehandlingsenheder (GPU'er), " tilføjer Mayer.

Denne enorme temperaturforskel er let observerbar. "Når astronomer ser på nye planetsystemer, bare måling af temperaturerne i planetens nærhed vil være nok til at fortælle, hvilken dannelsesmekanisme der byggede den givne planet, " forklarer Judit Szulágyi. En første sammenligning af de beregnede og observerede data ser ud til at favorisere kernetilvækstteorien. En anden forskel, der var forventet, dukkede ikke op i computersimulationen. Før, astrofysikken mente, at den cirkumplanetære skive adskiller sig væsentligt i masse i de to dannelsesscenarier. "Vi viste, at dette ikke er sandt, " siger PlanetS-medlemmet.

Lysende stød foran registreret

Med hensyn til størrelsen af ​​den nyfødte planet, observationer kan være vildledende, da astrofysikeren fandt i et andet studie sammen med Christoph Mordasini, Professor ved universitetet i Bern. I kernetilvækstmodellen så forskerne nærmere på skiven omkring planeter med masser tre til ti gange større end Jupiters. Computersimuleringerne viste, at gas, der falder på disken udefra, opvarmes og skaber en meget lysende stødfront på diskens øverste lag. Dette ændrer markant det observerende udseende af unge, danner planeter.

"Når vi ser en lysende plet inde i en cirkumplanetarisk skive, vi kan ikke være sikre på, om vi ser planetens lysstyrke, eller også den omgivende diskens lysstyrke, " siger Judit Szulágyi. Dette kan føre til en overvurdering af planetens masse på op til fire gange. "Så måske har en observeret planet kun den samme masse som Saturn i stedet for nogle Jupiter-masser, " konkluderer videnskabsmanden.

I deres simuleringer, astrofysikerne efterlignede dannelsesprocesserne ved at bruge de grundlæggende fysiske love såsom tyngdekraften eller gassens hydrodynamiske ligninger. På grund af kompleksiteten af ​​de fysiske modeller, simuleringerne var meget tidskrævende, selv på Europas hurtigste supercomputer på CSCS:"I størrelsesordenen ni måneders driftstid på hundreder til flere tusinde computerkerner" vurderer Judit Szulágyi:"Dette betyder, at på én computerkerne ville det have taget længere tid end hele min levetid."

Alligevel er der stadig udfordringer forude. Simuleringer af diskustabilitet dækker stadig ikke en lang tidsskala. Det er muligt, at efter at protoplaneten er kollapset til Jupiters tæthed, vil dens skive opvarmes mere som ved kerne-accretion. Ligeledes, den varmere gas fundet i kerne-accretion tilfældet ville være delvist ioniseret, et gunstigt miljø for påvirkninger af magnetiske felter, fuldstændig forsømt indtil videre. At køre endnu dyrere simuleringer med en rigere beskrivelse af fysikken vil være næste skridt.