En ny måde at danne planeter på

I de sidste 25 år, videnskabsmænd har opdaget over 4000 planeter uden for vores solsystems grænser. Fra relativt små klippe- og vandverdener til blæsende varme gasgiganter, planeterne udviser en bemærkelsesværdig variation. Denne sort er ikke uventet. De sofistikerede computermodeller, hvormed forskere studerer dannelsen af ​​planeter, også afføde meget forskellige planeter. Det, som modellerne har sværere ved at forklare, er den observerede massefordeling af planeterne, der er opdaget omkring andre stjerner. De fleste er faldet i den mellemliggende massekategori - planeter med masser af flere jordmasser til omkring Neptuns. Selv i forbindelse med solsystemet, dannelsen af ​​Uranus og Neptun forbliver et mysterium. Forskere fra universiteterne i Zürich og Cambridge, forbundet med det schweiziske NCCR PlanetS, har nu foreslået en alternativ forklaring understøttet af omfattende simuleringer. Deres resultater blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur astronomi .

To kontrasterende kræfter...

"Når planeter dannes fra den såkaldte protoplanetariske skive af gas og støv, gravitationelle ustabiliteter kunne være drivmekanismen, " Lucio Mayer, studie medforfatter og professor i beregningsastrofysik ved universitetet i Zürich, og medlem af NCCR PlanetS, forklarer. I denne proces, støv og gas i skiven klumper sig sammen på grund af tyngdekraften og danner tætte spiralstrukturer. Disse vokser derefter til planetariske byggesten og til sidst planeter.

Skalaen, hvorpå denne proces finder sted, er meget stor - spænder over skalaen af ​​den protoplanetariske skive. "Men over kortere afstande - størrelsen af ​​enkelte planeter - dominerer en anden kraft:Magnetfelter, der udvikler sig sammen med planeterne, " uddyber Mayer. Disse magnetfelter oprører gas og støv fra skiven og påvirker dermed dannelsen af ​​planeterne. "For at få et fuldstændigt billede af den planetariske dannelsesproces, det er derfor vigtigt ikke kun at simulere den store spiralstruktur i skiven. De små magnetiske felter omkring de voksende planetariske byggesten skal også inkluderes, " siger hovedforfatter af undersøgelsen, tidligere ph.d.-studerende fra Mayer og nu forskningsstipendiat ved University of Cambridge, Hongping Deng.

...som er svære at fatte samtidigt

Imidlertid, forskellene i skala og karakter af tyngdekraft og magnetisme gør de to kræfter meget udfordrende at integrere i den samme planetariske dannelsesmodel. Indtil nu, computersimuleringer, der fangede virkningerne af en af ​​kræfterne godt, klarede sig normalt dårligt med den anden. At lykkes, holdet udviklede en ny modelleringsteknik. Det krævede ekspertise inden for en række forskellige områder:For det første, de havde brug for en dyb teoretisk forståelse af både tyngdekraft og magnetisme. Derefter, forskerne skulle finde en måde at omsætte forståelsen til en kode, der effektivt kunne beregne disse kontrasterende kræfter i forening. Endelig, på grund af det enorme antal nødvendige beregninger, en kraftfuld computer var påkrævet - som 'Piz Daint' på Swiss National Supercomputing Center (CSCS). "Udover den teoretiske indsigt og de tekniske værktøjer, vi udviklede, vi var derfor også afhængige af udviklingen af ​​computerkraft, " siger Lucio Mayer.

Et årtier gammelt puslespil løst?

Mod alle odds, alt kom sammen på det rigtige tidspunkt og muliggjorde et gennembrud. "Med vores model, vi kunne for første gang vise, at magnetfelterne gør det svært for de voksende planeter at fortsætte med at akkumulere masse ud over et vist punkt. Som resultat, Kæmpeplaneter bliver sjældnere og mellemmasseplaneter meget hyppigere - svarende til hvad vi observerer i virkeligheden, " forklarer Hongping Deng.

"Disse resultater er kun et første skridt, men de viser tydeligt vigtigheden af ​​at tage højde for flere fysiske processer i planetdannelsessimuleringer. Vores undersøgelse hjælper med at forstå potentielle veje til dannelsen af ​​planeter med mellemmasse, som er meget almindelige i vores galakse. Det hjælper os også med at forstå de protoplanetariske diske generelt, " Ravit Helled, studie medforfatter og professor i teoretisk astrofysik ved universitetet i Zürich og medlem af NCCR PlanetS, afslutter.