Protoplanetariske skiver smider mere materiale ud, end det bliver til planeter

Når et ungt solsystem kommer i gang, er det lidt mere end en ung stjerne og en roterende skive af affald. Accepteret tænkning siger, at det hvirvlende affald bliver fejet op i planetdannelse. Men en ny undersøgelse siger, at meget af sagen i disken kan møde en anden skæbne.

Det har måske ikke æren af ​​at blive en del af en dejlig stabil planet, kredser roligt og pålideligt omkring sin værtsstjerne. I stedet, det er simpelthen kasseret. Det er smidt ud af de unge, stadig dannende stjernesystem til at tilbringe sin eksistens som et interstellart objekt eller som en slyngelplanet.

Undersøgelsen kommer fra Avi Loeb og Amir Siraj. Loeb og Siraj er begge fra Center for Astrophysics (CfA) på Harvard og har tidligere samarbejdet om forskning. Deres nye undersøgelse har titlen "Foreløbige beviser på, at protoplanetariske diske skubber mere masse ud, end de beholder." Den er tilgængelig på pre-print-siden arxiv.org og er endnu ikke blevet peer reviewed.

Loeb og Siraj peger på eksistensen af ​​interstellare objekter som "Oumuamua og 2I/Borisov for at gøre deres sag. Indtil videre, der er intet afgørende bevis for oprindelsen af ​​disse genstande og deres brødre. Forskere har fundet forskellige oprindelser, og har fremlagt beviser, men indtil videre, der er ingen konsensus. "Oumuamua kunne være et interstellart mørkt brint-isbjerg, et objekt, der ligner Pluto, eller endda en type interstellar "støvkanin". Og komet 2l/Borisov er sandsynligvis en slyngel interstellar komet, den første vi har observeret.

Stjernemassebudgetter viser, at hverken exo-Oort-skyer eller protoplanetariske skiver kan give nok masse til at forklare interstellare objekter og slyngelplanetbefolkningen. Så måske er vores stjernemassebudgetter forkerte? Måske bliver størstedelen af ​​materialet i protoplanetariske skiver slynget ud og bliver til interstellare objekter som "Oumuamua, 2I/Borisov, og useriøse planeter, hvor nogle af disse planeter er mange gange større end Jorden.

Meget af papiret er baseret på videnskabelige skøn, og meget af det er foreløbigt. Forfatterne gør det klart i avisens titel. Forskere har endnu ikke en klar forståelse af, hvor mange interstellare objekter og slyngelplaneter, der er. Men du skal starte et sted, og dette papir er en slags udgangspunkt.

Deres papir åbner med, "Hvis interstellare objekter stammer fra protoplanetariske skiver, de kan bruges til at kalibrere den del af massen, som sådanne skiver skubber ud." Derfra graver de dybere.

"Oprindelsen af ​​interstellare objekter er et uløst mysterium, " skriver de. "Hverken exo-Oort skyer eller protoplanetariske skiver er i stand til at fylde det massebudget, der er nødvendigt for at producere den udledte interstellare objektpopulation." Det efterlader kun to brede muligheder for deres oprindelse. Den ene er forskellige stjernemassebudgetter, hvilket kan være usandsynligt. Den anden er forskellige overlevelsessandsynligheder for interstellare objekter over store afstande og tidsskalaer.

Denne præambel opstiller forskernes hovedspørgsmål:"Hvor meget masse pr. stjerne kræves for at producere interstellare objekter?"

Den første forhindring i vejen for at besvare det spørgsmål er det faktum, at vi kun rigtig kender til to interstellare objekter:"Oumuamua, som blev opdaget i 2017, og komet 2I/Borisov, som blev opdaget i 2019. Og forskere har kun observeret estimater for deres størrelser. "Oumuamua anslås at være mellem 20 og 200 meter, og Borisovs kerne anslås at være mellem 0,4 og 1 km. Der er også et tredje potentielt interstellart objekt ved navn CNEOS 2014-01-08, men dets status som et interstellart objekt er ikke bekræftet.

Vi har kun skøn over, hvor mange af disse interstellare objekter, der er, inklusive slyngelplaneter. For genstande som "Oumuamua og Borisov, estimatet er et sted omkring 9, 000 pr stjerne, mens det for klippefyldte slyngelplaneter er omtrent dobbelt så store som Jorden, det er mellem omkring fem til 10 pr. stjerne. (Nogle skøn siger, at der er færre, kun to per stjerne.)

Forskerne tog, hvilke data der er, samt skøn, og kørte en simulering. Simuleringen adresserede deres hovedspørgsmål:"I betragtning af størrelserne og mængderne af kendte interstellare objekter, hvor meget masse er nødvendig, pr stjerne, at producere sådan en befolkning?"

For hver størrelse og overflodsestimat for interstellare objekter, parret kørte Monte Carlo-simuleringer. Resultaterne?

Siraj og Loeb fandt ud af, at exo-Oort-skyer ikke kan indeholde nok masse til at være kilden til de udledte populationer af interstellare objekter og slyngelplaneter. Parret præsenterer deres beregninger i papiret og siger derefter, at "Som et resultat, Oorts skyer af stjerner er usandsynlige kilder til interstellare objekter."

Næste, de betragter protoplanetariske diske. Deres beregninger er præsenteret i detaljer i deres papir og er værd at se nærmere på for dem med en dybere interesse i dette spørgsmål. Men slutresultatet er, at det kan tage en større del af værtsstjernemassen end tidligere antaget for at tage højde for den udledte population af interstellare objekter, der er større end "Oumuamua. "Den primære implikation af disse resultater er, at mængden af ​​masse, der er nødvendig for at danne interstellare objekter større end "Oumuamua er en væsentlig del af værtens stjernemasse, mellem 2 % og 50 %."

I baggrunden for alle Loebs og Sirajs arbejde er noget, der kaldes minimum masse solar nebula (MMSN) model. MMSN-modellen beskriver sammensætningen af ​​materialet i vores solsystem, der er nødvendigt for at redegøre for dannelsen af ​​planeterne, og asteroider, kredser om solen. MMSN viser, at i betragtning af solens metallicitet, omkring 1 % af solens masse var nødvendig for at danne planeterne.

Forfatternes beregninger og simuleringer viser, at det kræver en væsentlig større del af en stjernes masse at tage højde for populationen af ​​"Oumuamua-lignende objekter." Den primære implikation af disse resultater er, at mængden af ​​masse, der er nødvendig for at danne interstellare objekter, der er større end "Oumuamua er en væsentlig del af værtens stjernemasse, mellem 2 % og 50 %."

Hvis du tænker, at det er et ret stort udvalg, du har ret. Men hvad deres arbejde opnår er en strammere begrænsning af vores forståelse af dannelsen af ​​planetsystemer. "Disse resultater tyder på en meget effektiv rute til at omdanne protostellart stof til ~ 0,1 km planetesimaler og til at udstøde dem fra deres forældrestjerner, og ændrer paradigmet med hensyn til observationelle begrænsninger på den planetariske systemdannelsesproces."

Men det mest interessante er den potentielle konklusion. Unge solsystemer kan udstøde mere masse som interstellare objekter og slyngelplaneter, end de tilbageholder.

"Hverken massebudgettet for solsystemets protoplanetariske skive eller de observerede protoplanetariske eller debrisskiver omkring andre stjerner kunne give tilstrækkeligt materiale til dannelsen af ​​interstellare objekter, " skriver Siraj og Loeb i deres resumé.

Parret afslutter deres afhandling med at nævne, hvordan disse objekter kunne skubbes ud fra deres værtssystemer. Men det er stort set en slags sidebar. Forskerparret er mere interesserede i, hvordan dette ændrer vores forståelse af solsystemets dannelse.

De påpeger, at det kommende Vera Rubin Survey Telescope potentielt kan finde mange flere interstellare objekter, da Vera Rubin vil udmærke sig ved at opdage forbigående fænomener. Denne undersøgelse er begrænset af en lille stikprøvestørrelse på kun to, eller tre mulige, interstellare objekter. Når vi har en større prøvestørrelse, vi ved meget mere.

"Oprindelsen af ​​interstellare objekter kan udledes gennem deres hastighedsfordeling, når et tilstrækkeligt antal af dem er blevet opdaget, " skriver forfatterne.