Astronomer sporer fødslen af ​​en superjord

En ny model, der giver anledning til unge planetsystemer, tilbyder en frisk løsning på et puslespil, der har irriteret astronomer lige siden nye detektionsteknologier og planetjagtmissioner som NASAs Kepler-rumteleskop har afsløret tusindvis af planeter, der kredser om andre stjerner:Mens størstedelen af ​​disse exoplaneter falder ind under en kategori kaldet superjorder - kroppe med en masse et sted mellem Jorden og Neptun - de fleste af de træk, der observeres i begyndende planetsystemer, mentes at kræve meget mere massive planeter, rivaliserende eller dværgende Jupiter, gasgiganten i vores solsystem.

Med andre ord, de observerede træk ved mange planetsystemer i deres tidlige dannelsesstadier så ikke ud til at matche den type exoplaneter, der udgør hovedparten af ​​planetbefolkningen i vores galakse.

"Vi foreslår et scenarie, der tidligere blev anset for umuligt:​​hvordan en superjord kan udskille flere huller i diske, " siger Ruobing Dong, Bart J. Bok postdoc ved University of Arizona's Steward Observatory og hovedforfatter på undersøgelsen, snart offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift . "For første gang, vi kan forene de mystiske skivetræk, vi observerer, og populationen af ​​planeter, der oftest findes i vores galakse."

Hvordan planeter præcist dannes er stadig et åbent spørgsmål med en række udestående problemer, ifølge Dong.

"Kepler har fundet tusindvis af planeter, men de er alle meget gamle, kredser om stjerner nogle få milliarder år gamle, som vores sol, " forklarer han. "Man kan sige, at vi ser på de ældre borgere i vores galakse, men vi ved ikke, hvordan de er født."

For at finde svar, astronomer henvender sig til de steder, hvor nye planeter i øjeblikket dannes:protoplanetariske skiver – i en vis forstand, babysøstre i vores solsystem.

Sådanne skiver dannes, når en enorm sky af interstellar gas og støv kondenserer under påvirkning af tyngdekraften, før den kollapser til en hvirvlende skive. I midten af ​​den protoplanetariske skive skinner en ung stjerne, kun få millioner år gammel. Når mikroskopiske støvpartikler smelter sammen til sandkorn, og sandkorn klæber sammen og danner småsten, og småsten hober sig op til asteroider og i sidste ende planeter, et planetsystem meget ligesom vores solsystem er født.

"Disse diske er meget kortlivede, " Dong forklarer. "Med tiden forsvinder materialet, men vi ved ikke præcis, hvordan det sker. Hvad vi ved er, at vi ser skiver omkring stjerner, der er 1 million år gamle, men vi ser dem ikke omkring stjerner, der er 10 millioner år gamle."

I det mest sandsynlige scenarie, meget af skivens materiale samler sig på stjernen, nogle bliver blæst væk af stjernestråling, og resten går til at danne planeter.

Selvom protoplanetariske skiver er blevet observeret i relativ nærhed af Jorden, det er stadig ekstremt svært at skelne nogen planeter, der kan dannes indeni. Hellere, forskere har påberåbt sig funktioner såsom huller og ringe for at udlede tilstedeværelsen af ​​planeter.

"Blandt forklaringerne på disse ringe og huller, dem, der involverer planeter, er bestemt de mest spændende og tiltrækker mest opmærksomhed, " siger medforfatter Shengtai Li, en forsker ved Los Alamos National Laboratory i Los Alamos, Ny mexico. "Når planeten kredser om stjernen, argumentet lyder, det kan rydde en sti langs sin bane, resulterer i den kløft, vi ser."

Bortset fra at virkeligheden er lidt mere kompliceret, som det fremgår af to af de mest fremtrædende observationer af protoplanetariske skiver, som blev lavet med ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array i Chile. ALMA er en samling af radioantenner mellem 7 og 12 meter i diameter og nummer 66 af dem, når de er færdige. Billederne af HL Tau og TW Hydra, opnået i 2014 og 2016, henholdsvis, har afsløret de fineste detaljer hidtil i enhver protoplanetarisk disk, og de viser nogle funktioner, der er svære, hvis ikke umuligt, at forklare med nuværende modeller af planetarisk dannelse, siger Dong.

"Blandt hullerne i HL Tau og TW Hya afsløret af ALMA, to par af dem er ekstremt smalle og meget tæt på hinanden, " forklarer han. "I konventionel teori, det er svært for en planet at åbne sådanne huller i en skive. De kan aldrig være så smalle og så tæt på hinanden af ​​hensyn til den involverede fysik."

I tilfældet med HL Tau og TW Hya, man ville være nødt til at påkalde to planeter, hvis kredsløb omfavner hinanden meget tæt - et scenario, der ikke ville være stabilt over tid og derfor er usandsynligt.

Mens tidligere modeller kunne forklare store, enkelte huller, der menes at være tegn på, at planeter fjerner snavs og støv på deres vej, de undlod at redegøre for de mere indviklede træk afsløret af ALMA-observationerne.

Modellen skabt af Dong og hans medforfattere resulterer i, hvad holdet kalder syntetiske observationer - simuleringer, der ligner nøjagtigt, hvad ALMA ville se på himlen. Dongs team opnåede dette ved at justere parametrene i simuleringen af ​​den udviklende protoplanetariske disk, såsom at antage en lav viskositet og tilsætte støvet til blandingen. De fleste tidligere simuleringer var baseret på højere skiveviskositet og tegnede sig kun for skivens gasformige komponent.

"Viskositeten i protoplanetariske skiver kan være drevet af turbulens og andre fysiske effekter, " siger Li. "Det er en noget mystisk mængde - vi ved, at den er der, men vi kender ikke dens oprindelse eller hvor stor dens værdi er, så vi mener, at vores antagelser er rimelige, i betragtning af, at de resulterer i det mønster, der faktisk er blevet observeret på himlen."

Endnu vigtigere, de syntetiske observationer fremkom fra simuleringerne uden at det var nødvendigt at påkalde gasgiganter på størrelse med Jupiter eller større.

"Én superjord viste sig at være tilstrækkelig til at skabe de mange ringe og flere, smalle huller, vi ser i de faktiske observationer, " siger Dong.

Efterhånden som fremtidig forskning afslører mere af den indre funktion af protoplanetariske diske, Dong og hans team vil forfine deres simuleringer med nye data. For nu, deres syntetiske observationer tilbyder et spændende scenarie, der giver en manglende forbindelse mellem de funktioner, der observeres hos mange planetariske spædbørn, og deres voksne modstykker.

Studiet, "Flere diskhuller og ringe genereret af en enkelt superjord, " af Ruobing Dong, Shentai Li, Eugene Chiang og Hui Li, udkommer den 13. juli i Astrofysisk tidsskrift .