Fra støv til småsten til planeter – indsigt i fødslen af ​​et solsystem

Detaljerede simuleringer af planetdannelse afslører, hvordan bittesmå støvkorn bliver til kæmpe planeter og kan kaste lys over, hvor man kan finde nye jordlignende verdener.

Forskere har en teori om, at planeter dannes af roterende gasskiver, der omgiver nydannede stjerner, kendt som proto-planetariske skiver. Objekter på størrelse med småsten i disse skiver klumper sig derefter sammen for at danne kerner af potentielle planeter.

Professor Anders Johansen fra Lund University i Sverige, er gået helt ned til niveauet for atomkerner og molekyler for at prøve at finde ud af, hvordan kosmiske støvpartikler hænger sammen i småsten og derefter bliver til babyplaneter, kendt som planetesimals.

"Planetdannelse finder sted, når disse støvpartikler kolliderer, og de vokser til større og større størrelser, " sagde han. "Denne vækst tager os så fra mikrometer, helt op til 10, 000 kilometer eller deromkring. "

Et fingerpeg om, hvordan dette støv bliver til småsten, kan findes på Jorden i meteoritter - stykker af asteroider, der er rester fra dannelsen af ​​solsystemet.

"Der er et mysterium derinde, " sagde prof. Johansen. "Hvis du ser ind i en asteroide, du finder småsten i millimeterstørrelse, hvilket er fint. Men problemet med disse småsten er, at de ikke er, hvad vi forventer, at de skal være. Vi ville forvente, at de var luftige støvaggregater, lidt ligesom hvis du har en sandkasse efter det regner, og du kan samle et stykke udtørret sand op, der er meget skrøbeligt, " han sagde.

I stedet, småstenene er kugleformede og hårde, som om de er blevet opvarmet og afkølet - ligner genstande, der er blevet ramt af lyn.

"Lyn finder sted, når tordenskyer afleder deres elektriske ladning til jorden, "sagde professor Johansen." Denne afladning ligner meget det stød, man oplever fra den statiske elektricitet, når man tager en jumper på. "

Prof. Johansen teoretiserede, at der skal være en mekanisme under planetdannelsen, der skaber positivt og negativt ladede partikler, og han og hans team undersøgte, hvad det var.

"Mens et tordensky opnår en ladningsforskel mellem dens top og bund ved at falde haglpartikler, vi fandt ud af, at i den protoplanetariske skive er henfaldet af et radioaktivt grundstof kaldet Aluminium-26 meget effektivt til at oplade støvskyer, " han sagde.

Kemisk sammensætning

Fundet var en del af et projekt kaldet PLANETESYS, som bruger computersimuleringer til at replikere de fysiske processer, der finder sted, når planeter dannes - hele vejen fra støv til et planetsystem. Det indeholder detaljer om den kemiske sammensætning af hver sten.

En ting, professor Johansen kan undersøge ved at se på denne kemiske sammensætning, er, hvordan planeter tiltrækker vand - en vital ingrediens for livet.

"Et oplagt spørgsmål er, "Hvor meget vand får en planet?" Vi kan begynde at spekulere i, om det er normalt at få Jordens mængde vand, hvis det er meget vand eller en lille smule. Men måske kan du også få for meget vand, som kan være godt for livet, men ikke godt for civilisationer, " han sagde.

Dr. Bertram Bitsch fra Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, siger, at forståelse af mere om, hvordan planeter opstår, ville hjælpe med at identificere potentielt beboelige planeter andre steder i universet.

"Hvis du forstår mere (om) dannelsesprocessen for, hvordan vi kan lave et system som solsystemet, så kan vi måske forudsige (om) hvor ofte disse systemer ville eksistere, og hvor almindeligt det ville være at finde jordlignende planeter (der kredser om) andre stjerner. "

"Derefter, hvis vi ser en bestemt sammensætning af systemet … kan det tillade os at se, at der kan være beboelige planeter i disse systemer."

Opskrift

Dr. Bitsch tror, ​​at han måske kender opskriften på, hvordan solsystemer ender med jordlignende planeter. Med en omhyggelig blanding af betingelser, hvorfra babyplaneter dannes, til deres kemiske sammensætning og tyngdekraftsinteraktioner, han kan forsøge at modellere betingelserne for at generere solsystemer med beboelige planeter.

Men at finde ud af den rigtige opskrift kræver at man arbejder baglæns efter at have kørt mange simuleringer med kompleks supercomputerkraft, hvilket han laver i et projekt kaldet PAMDORA, som løber frem til 2022.

"Jeg vil bruge computersimuleringer ... hvor vi ser på gravitationsinteraktionerne mellem flere kroppe for at modellere stadierne fra planetesimaler helt til fuldt dannede planetsystemer med jordbaserede planeter, superjord, og gasgiganter, " han sagde.

I sine simuleringer, Dr. Bitsch ser på, hvordan småsten i de hvirvlende skiver formes til planetariske embryoner i månestørrelse, som derefter udvikler sig til fuldt dannede planeter.

Ændring af de forskellige mekanismer på arbejdet kan påvirke, hvilke typer planeter et solsystem kan ende med.

"Der er mange forskellige veje, der kan ske, og mange forskellige parametre, der kan påvirke resultatet af simuleringerne, "sagde han." F.eks. hvor store er småstenene, hvor mange ville der være, og hvor ville dine oprindelige planetesimaler dannes, som så ville begynde at danne protoplaneter?"

For at se hvilke variable der betyder mest, han kører hundredvis af computersimuleringer, der varer uger ad gangen og kan simulere titusinder af millioner år til at modellere de meget kaotiske møder med flere objekter.

For jordlignende planeter, en nøglefaktor er, hvor tæt babyplaneter dannes på deres hjemstjerne, da forskellen i temperatur kan afgøre, om planeter samler vand direkte under gasskivestadiet eller fra en sen vandtilførsel fra asteroider eller kometer, som for vores egen jord.

"En ting, der allerede er i koden, er at se på sammensætningen af ​​super-jordarter. F.eks. er de stenede eller domineret af vand-is? "sagde Dr. Bitsch.

Super-Earths, som er planeter som Jorden, men måske to til ti gange mere massiv, findes ikke i vores solsystem, men er relativt almindelige blandt andre stjerner.

"Masser af super-jordarter er blevet fundet og opdaget, og spørgsmålet er hvad de er lavet af? Dette kan give os svaret på, hvor de er dannet. "