For nyfødte planeter, solsystemer er naturligt babysikre

Numeriske simuleringer af en gruppe astronomer, ledet af Mario Flock fra Max Planck Institute for Astronomy, har vist, at unge planetsystemer er naturligt "baby-proof":Fysiske mekanismer kombineres for at forhindre unge planeter i de indre områder fra at tage et fatalt spring ind i stjernen. Lignende processer gør det også muligt for planeter at blive født tæt på stjerner - fra småsten fanget i et område tæt på stjernen. Forskningen, som er publiceret i tidsskriftet Astronomi og astrofysik , forklarer fund fra Kepler-rumteleskoperne, der viser et stort antal superjorder, der kredser meget tæt om deres stjerner, på kanten af ​​det babysikre område.

Når et barn bliver født, forældre vil sørge for, at de har babysikret deres hjem, opsætning af sikkerhedsbarrierer, som holder barnet væk fra særligt farlige områder. Ny forskning om dannelsen af ​​planeter viser, at noget meget lignende sker i unge planetsystemer.

Planeter dannes omkring en ung stjerne, som er omgivet af en skive af gas og støv. Inde i denne protoplanetariske disk, støvkorn klæber sammen, vokser sig større og større. Efter et par millioner år, de har nået et par kilometer i diameter. På det tidspunkt, tyngdekraften er stærk nok til at trække sådanne genstande sammen for at danne planeter, runde genstande, fast eller med en fast kerne, med diametre på nogle få tusinde kilometer eller mere.

En nysgerrig trængsel ved den indre grænse

Ligesom småbørn, faste genstande i et så ungt planetsystem har en tendens til at bevæge sig i alle retninger - ikke kun i kredsløb om stjernen, men driver indad eller udad. Dette kan blive potentielt fatalt for planeter, der allerede er relativt tæt på den centrale stjerne.

Tæt på stjernen, vi vil kun støde på klippeplaneter, med faste overflader, ligner vores jord. Planetkerner kan kun fange og holde betydelige mængder gas for at blive gasgiganter meget længere ude, væk fra den varme stjerne. Men den enkleste form for beregning for bevægelsen af ​​en planet nær stjernen, i gassen fra en protoplanetarisk skive, viser, at sådan en planet konstant skal drive indad, styrter ind i stjernen på en tidsskala på mindre end en million år, meget kortere end diskens levetid.

Hvis dette var hele billedet, det ville være forvirrende, at NASAs Kepler-satellit, undersøge stjerner, der ligner solen (spektraltyper F, G og K), fundet noget helt andet:talrige stjerner har meget tæt kredsende såkaldte super-jorde, klippeplaneter, der er mere massive end vores egen Jord. Særligt almindelige er planeter med perioder omkring 12 dage, går ned til perioder helt ned til 10 dage. For vores sol, det ville svare til kredsløbsradier omkring 0,1 astronomiske enheder, kun omkring en fjerdedel af Merkurs kredsløbsradius, planeten tættest på vores sol i vores eget solsystem.

Dette var gåden som Mario Flock, en gruppeleder ved Max Planck Institute for Astronomy, satte sig for at løse, sammen med kolleger fra Jet Propulsion Laboratory, University of Chicago og Queen Mary University, London. De involverede forskere er eksperter i at simulere det komplekse miljø, hvori planeter er født, modellering af gasstrømme og interaktioner, støv, magnetiske felter, og af planeter og deres forskellige forløberstadier. Stillet over for det tilsyneladende paradoks i Kepler-superjorden i tæt kredsløb, de satte sig for at simulere planetdannelse tæt på sollignende stjerner i detaljer.

Babysikring i solsystemskala

Deres resultater var utvetydige, og foreslå to mulige årsager bag den almindelige forekomst af tæt kredsende planeter. Den første er, at i det mindste for klippeplaneter med masser på op til 10 gange Jordens masse ("superjorde" eller "Mini-Neptuner"), de tidlige stjernesystemer er babysikre.

Sikkerhedsbarrieren, der holder unge planeter ude af farezonen, fungerer som følger. Jo tættere vi kommer på stjernen, jo mere intens stjernens stråling. Indvendig grænse kaldet silikatsublimationsfronten, skivens temperatur stiger over 1200 K, og støvpartikler (silikater) vil blive til gas. Den ekstremt varme gas inde i det område bliver meget turbulent. Denne turbulens transporterer gassen mod stjernen med høj hastighed, udtynding af det indre område af disken i processen.

Mens en ung superjord rejser gennem gassen, det er typisk ledsaget af gas, der roterer sammen med planeten på en bane, der ligner en hestesko. Når planeten driver indad og når silikatsublimationsfronten, gaspartiklerne, der bevæger sig fra den varme tyndere gas til den tættere gas uden for grænsen, giver planeten et lille spark. I denne situation, gassen vil udøve en indflydelse (i fysik:et drejningsmoment) på den rejsende planet, og afgørende, på grund af springet i tæthed, den indflydelse vil trække planeten væk fra grænsen, radialt udad. På denne måde grænsen fungerer som en sikkerhedsbarriere, forhindre de unge planeter i at styrte ned i stjernen. Og placeringen af ​​grænsen for en sollignende stjerne, som forudsagt af simuleringen, svarer til den nedre grænse for omløbsperioder fundet af Kepler. Som Mario Flock siger:"Hvorfor er der så mange superjorder i tæt kredsløb, som Kepler har vist os? Fordi unge planetsystemer har en indbygget babysikker barriere."

Planetbygning ved grænsen

Der er en alternativ mulighed:Ved at spore bevægelsen af ​​småstenslignende, mindre genstande på få millimeter eller centimeter store, forskerne fandt ud af, at sådanne småsten har en tendens til at samle sig tæt bag silikatsublimationsfronten. For at presset kan balancere direkte ved grænsen, den tynde gas i overgangsregionen skal rotere hurtigere end normalt (da der skal være balance mellem tryk og centrifugalkraft). Denne gasrotation er hurtigere end den "Keplerske" omløbshastighed for en isoleret partikel, der kredser om stjernen på egen hånd. En småsten, der kommer ind i dette overgangsområde, tvinges ind i denne hurtigere end Keplerske bevægelse, og straks kastet ud igen, da de tilsvarende centrifugalkræfter skubber den udad, som et lille barn, der glider ned fra platformen på en karusell. Det her, også bidrager til hyppigheden af ​​tæt kredsende superjord. Ikke alene samler tidligere dannede superjorder sig ved en babysikker barriere. Det faktum, at småsten også samler sig ved den barriere, giver ideelle betingelser for nydannelse af superjord på det sted.

Resultaterne kom ikke som en fuldstændig overraskelse for forskerne. Faktisk, de havde fundet en lignende stenfælde i modeller af meget tungere stjerner ("Herbig stars"), dog i meget større afstand fra stjernen. De nye resultater udvider dette til sollignende stjerner, og de tilføjer babysikringsmekanismen for nyfødte planeter. Desuden, den nye artikel er den første, der giver en sammenligning med statistiske data fra Kepler-rumteleskopet, omhyggeligt under hensyntagen til, at Kepler kun vil være i stand til at se visse slags systemer (især hvor vi ser kredsløbsplanet næsten på kanten).

Hvad med vores eget solsystem?

Interessant nok, efter disse kriterier, vores eget solsystem kunne også have huset en jordlignende planet tættere på solen end den nuværende inderste planet, Merkur. Er den kendsgerning, at der ikke findes en sådan planet, et statistisk lykketræf, eller eksisterede en sådan planet og blev slynget ud af solsystemet på et tidspunkt? Det er et interessant spørgsmål for yderligere forskning. Som Mario Flock siger:"Ikke kun at vores solsystem var babysikkert - det er muligt, at den baby, der er beskyttet på denne måde, siden har 'fløjet reden'."