Hvordan planternes frø tager form

I teoretisk forskning, der kunne forklare alt fra planetdannelse til udstrømning fra stjerner, til endda bundfældning af vulkansk aske, Caltech -forskere har opdaget en ny mekanisme til at forklare, hvordan støv, der bevæger sig gennem gas, fører til støvklumper. Mens støvklumper allerede var kendt for at spille en rolle i såning af nye planeter og mange andre systemer i rummet og på Jorden, hvordan klumperne dannedes var hidtil ukendt.

Phil Hopkins, professor i teoretisk astrofysik ved Caltech, arbejder med Jonathan (Jono) Squire, en tidligere postdoktor ved Caltech, begyndte at tænke på forstyrrelser af støv, der bevægede sig gennem gas, mens han studerede, hvordan stærk stråling fra stjerner og galakser driver støvbelastede vinde. Hopkins siger, at det tidligere blev antaget, at støv var stabilt i gas, hvilket betyder, at støvkornene ville køre sammen med gas uden at der sker meget, eller de ville bosætte sig ud af gassen, hvis partiklerne var store nok, som det er tilfældet med sod fra en brand.

"Det, Jono og jeg opdagede, er, at støv og gas, der forsøger at bevæge sig med hinanden, er ustabil og får støvkorn til at samles, "siger Hopkins." Snart begyndte vi at indse, at disse ustabile gasstøv er i spil overalt i universet, at en kraft skubber støv gennem gas, om kræfterne er stjernevinde, tyngdekraft, magnetisme, eller et elektrisk felt. "Holdets simuleringer viser materiale, der hvirvler sammen, med støvklumper, der vokser sig større og større.

"Vi startede faktisk med at studere støvdrevne vinde i rummet, men da vi undersøgte problemet, vi bemærkede særlige træk ved ustabiliteten, der fik os til at tro, at dette var et mere generelt fænomen, "siger Squire, der sammen med Hopkins har skrevet fire artikler om deres nye fund, en accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journaland tre på Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . "Herfra, det sned på en måde, da vi var i stand til at studere masser af forskellige systemer - galakser, stjerner, planetdannelse, gassen tæt på supermassive sorte huller, supernovaer, et cetera - og bekræft vores intuition. Det var ikke et eureka -øjeblik, men en serie eurekas, der varede omkring en uge. "

Måske er de mest bemærkelsesværdige konsekvenser for de nyopdagede Hopkins-Squire-ustabilitet for undersøgelsen af ​​spirende planeter. Planeter tager form inden for støvede, roterende "protoplanetære" diske af gas og støv omkring unge stjerner. På disse diske, støvet samles for at danne større og større småsten og kampesten, derefter klumper i bjergstørrelse, og til sidst fuldvoksne planeter.

På et tidspunkt under denne proces, når klippestykkerne er store nok - omkring 1, 000 kilometer i diameter - tyngdekraften tager overhånd og smøger de bjergrige klipper til en rund planet. Det store mysterium ligger i, hvad der sker, før tyngdekraften træder i kraft - det vil sige, hvad der forårsager støvpartiklerne, småsten, og kampesten for at komme sammen? Forskere troede engang, at de kunne hænge sammen på samme måde, som støvkaniner ophobes under din seng, men der er problemer med den teori.

"Hvis du smider to småsten sammen, de klæber ikke. De hopper bare af hinanden, "siger Hopkins." Til størrelser mellem en millimeter og hundredvis af kilometer, kornene klistrer ikke. Dette er et af de største problemer ved modellering af planetdannelse. "

I Hopkins-Squire ustabilitetsmodellen, som bygger på tidligere modeller af støv-gas-interaktioner, dannelsen af ​​planetariske støvklumper ville begynde med små støvkorn, der bevægede sig gennem gassen, der kredsede i en protoplanetarisk skive. Gas ville krølle rundt om et korn som flodvand omkring en kampesten; det samme ville ske med endnu et støvkorn i nærheden. Disse to gasstrømme kan derefter interagere. Hvis der er mange støvkorn i forhold til hinanden tæt på, hvilket er tilfældet i planetdannelse, nettoeffekten af ​​de mange resulterende gasstrømme ville være at kanalisere støvet sammen til klumper.

"I vores nye teori, denne stikkende gennemklumpning kan forekomme for en meget bredere vifte af kornstørrelser end tidligere antaget, tillader mindre korn at deltage i processen og hurtigt vokse i størrelse, "siger Squire.

"Forståelsen af ​​vores solsystems oprindelse er blandt de vigtigste problemer i hele naturvidenskaben, og opdagelsen af ​​Hopkins-Squire ustabilitet er et vigtigt skridt i retning af at opnå denne forståelse. Det er en spændende udvikling, "siger Caltechs Konstantin Batygin, adjunkt i planetarisk videnskab og Van Nuys Page Scholar, der ikke var involveret i undersøgelsen.

Forskergruppen siger, at disse ustabilitet også kan være vigtige i helt forskellige situationer her på Jorden. For eksempel, vulkansk aske eller regndråber interagerer med vores atmosfære på nøjagtig samme måde som astrofysisk støv interagerer med den omgivende gas.

"Det er meget interessant at undersøge, hvordan disse ustabilitet kunne fungere i alle disse forskellige scenarier, "siger Squire." Vi glæder os til at forstå helt forskellige ustabilitet inden for andre områder af fysik og anvendt matematik - og, forhåbentlig, at finde andre helt nye og interessante systemer, hvor dette sker. "