Samtidig simulering af gravitation og magnetisme af en protoplanetarisk skive

Fra en massiv skive af gas og støv, der roterer rundt om solen, jorden og de andre syv planeter i vores solsystem udviklede sig engang sammen med deres måner. Og det samme må være sket, videnskabsmænd mener, for de tusindvis af ekstrasolare planeter, der er opdaget i de seneste årtier. For at få mere indsigt, astrofysikere bruger computersimuleringer til at undersøge de processer, der arbejder, når planeter dannes fra sådanne protoplanetariske skiver, såsom væksten af ​​en planets masse samt dannelsen af ​​dens magnetfelt. Indtil for ganske nylig, disse to processer - planetudvikling og magnetfeltdannelse - har været separate forskningsfelter og simuleret i separate modeller. Men nu, Lucio Mayer, Professor i beregningsastrofysik ved universitetet i Zürich og projektleder ved National Center of Competence in Research Planets, sammen med sine kolleger Hongping Deng, tidligere ph.d. elev af Mayer, og Henrik Latter, Universitetslektor ved University of Cambridge, har med succes kombineret begge processer i én simulering for første gang. Resultaterne er nu offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

To modeller i én

Astrofysikere er klar over, at den såkaldte gravitationelle ustabilitet (GI) i en massiv, roterende skive af stof spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​planeter. Det får partikler til at "klumpe sammen", så der dannes strukturer med høj tæthed, såsom spiralarme. Fra disse sammenklumpede strukturer, planeterne kunne have bygget sig hurtigt op, over en periode på "kun" hundredtusindvis af år, eller endnu mindre. Imidlertid, virkningerne af magnetfeltet under gravitationel ustabilitet er blevet forsømt som et studiepunkt, indtil nu. Ved hjælp af "Piz Daint" supercomputeren ved Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano, disse videnskabsmænd har nu simuleret udviklingen af ​​den protoplanetariske skive både under påvirkning af tyngdekraften og i nærvær af et magnetfelt, derved opdage en helt ny mekanisme, der kunne forklare tidligere uforklarlige observationer.

En sådan uforklarlig observation er, at planeter i vores solsystem i dag roterer meget langsommere end den protoplanetariske skive, hvorfra de engang må være dukket op. Under dannelsen af ​​planeter, såvel som stjerner og sorte huller, enorme mængder vinkelmomentum skal tabes, men hvordan de mistede dette momentum er forblevet uklart. Dette såkaldte vinkelmomentproblem er velkendt i astrofysikken. "Vores nye mekanisme ser ud til at være i stand til at løse og forklare dette meget generelle problem, siger Mayer.

Opfyldelse af en videnskabelig drøm

At kombinere begge processer i én simulering har været en drøm for Mayer i mange år. Imidlertid, de underliggende fysiske processer er komplekse, og deres repræsentation i simuleringerne krævede sofistikerede koder og høj computerkraft. Selvom opfyldelsen af ​​drømmen kom tættere og tættere på med supercomputeres konstante stigning i computerkraft, der var ikke tid til den matematisk-fysiske beskrivelse af de processer, der kræves for at løse problemet. Imidlertid, takket være støtte og færdigheder fra Hongping Deng, som har udviklet en passende metode, drømmen kunne nu gå i opfyldelse. Holdet eksperimenterede med denne nye numeriske teknik, videreudviklet det, og optimeret den for at gøre den bedst mulige brug af ydeevnen i "Piz Daint."

Specifikt, forskerne brugte og forbedrede en såkaldt hybrid mesh-partikel-metode til at beregne magnetfeltet, væskedynamik og tyngdekraft. Ved denne metode beregnes massen og tyngdekraften ved hjælp af partikler, som hver repræsenterer en del af systemet. Det termiske tryk og effekten af ​​magnetfeltet beregnes med en slags virtuelt adaptivt net, der er konstrueret af partiklerne, hvilken, ifølge forskerne, giver mulighed for høj nøjagtighed.

Den nyudviklede metode førte til overraskende resultater vedrørende samspillet mellem GI og magnetfeltet. Det blev vist, at spiralarmene dannet af tyngdekraften i den protoplanetariske skive virker som en dynamo, strække og styrke det magnetiske frø. Som resultat, magnetfeltet vokser og bliver styrket. På samme tid, denne proces genererer meget mere varme i den protoplanetariske skive end tidligere antaget. Mest overraskende for forskerne, imidlertid, var det faktum, at dynamoen synes at have en væsentlig indflydelse på sagens bevægelse. Dynamoen skubber den kraftigt både indad, at samle sig på stjernen, og udadtil, væk fra disken. Det betyder, at disken udvikler sig meget hurtigere, end tidligere teorier havde foreslået.

Interaktion øger tilvæksten og genererer vind

"Simuleringen viser, at den energi, der genereres af samspillet mellem det dannede magnetfelt og tyngdekraften, virker udad og driver en vind, der kaster stof ud af skiven, " siger Mayer. Dette ville medføre, at 90 procent af massen går tabt på mindre end en million år. "Hvis dette er sandt, dette ville være en ønskværdig forudsigelse, fordi mange af de protoplanetariske skiver, der er undersøgt med teleskoper, der er en million år gamle, har omkring 90 procent mindre masse end forudsagt af simuleringer af skivedannelse indtil videre, " forklarer astrofysikeren. I sidste ende, energitilbagetrækningen fører til, at stoffet kollapser og mister spin. Forskerne håber nu at kunne observere vindene og udstødningen af ​​stof i de tidlige livsfaser af protoplanetariske skiver med ekstremt kraftige teleskoper som ALMA i Chile eller den kvadratkilometer-array, der i øjeblikket er under opførelse.

Forskerne mener, at gennem deres arbejde, de har opdaget en helt ny friktionsmekanisme, genereret af interaktionen mellem magnetfelt og GI, hvilket væsentligt eroderer skivens vinkelmomentum. "Takket være den kraftfulde motor af spiraldensitetsbølger, vores nye friktionsmekanisme ser ud til at være endnu mere effektiv i tætte protoplanetariske skiveområder, hvor der er færre ladede partikler til at opretholde magnetfeltet, Deng siger. "Dette er forskelligt fra alle andre tidligere foreslåede mekanismer, som ikke kunne opretholde magnetfeltet i sådanne områder. "

Deng forsker nu ved University of Cambridge som SNF Fellow. Det nye mål er at underbygge forskningsresultaterne, for eksempel ved at bruge dem – også med andre forskningsgrupper – til simulering af forskellige kosmiske strukturer, såsom de første store sorte huller, der dannes i universet ved begyndelsen af ​​galaksedannelsen.