Støvvækstmodel konstaterer, at planeter kan dannes lettere end tidligere antaget

Byggestenene til nye planeter kunne dannes lettere end tidligere antaget, ifølge beregninger fra et hold ledet af en RIKEN-astrofysiker.

Planeter er født fra skyerne af støv og gas, der hvirvler rundt om unge stjerner. Støvpartikler i disse protoplanetariske skiver smelter gradvist sammen til korn, som derefter samler sig til planetesimaler. Disse planetesimaler, som kan være flere kilometer brede, kan potentielt blive grundlaget for nye verdener.

Astronomer er stadig ved at finde ud af præcis, hvordan hvert af disse stadier opstår. For eksempel kan planetesimaler dannes, når støvkorn kolliderer og klæber sammen, en proces kendt som koagulering.

Alternativt kunne træk, som mærkes af støvkorn, når de bevæger sig gennem den protoplanetariske skive, koncentrere støvet til løse klumper, en proces, der kaldes strømningsustabilitet. "Hvis disse klumper er massive nok, kan planetesimaler dannes ved selvgravitationel kollaps af klumpen," forklarer Ryosuke Tominaga fra RIKEN Star and Planet Formation Laboratory.

For at vurdere den relative betydning af disse to processer i dannelsen af ​​planetesimaler, skabte Tominaga og Hidekazu Tanaka fra Tohoku University i Sendai, Japan, en fysisk model til at simulere støvkorns opførsel i protoplanetariske skiver. Deres resultater er offentliggjort i The Astrophysical Journal .

Baseret på tidligere simuleringer af planetesimal dannelse inkluderede deres model en række faktorer såsom hastigheden og klæbrigheden af ​​støvkornene. Hvis korn kolliderer for hurtigt, for eksempel, kan de faktisk gå i stykker i stedet for at danne et større korn.

"Nogle undersøgelser har antydet, at støvkorn ikke er så klistrede, og at deres vækst kan være begrænset af fragmentering i planetdannende områder på grund af høje kollisionshastigheder," siger Tominaga. "Dette menes at være en barriere, der forhindrer støvvækst mod planetesimals."

Tominaga og Tanakas model estimerede, hvor lang tid det ville tage for støvkorn at vokse ved koagulering, og sammenlignede det med tidsskalaen for sammenklumpning ved streaming-ustabilitet.

Modellen viste, at begge processer foregår med samme hastighed. Faktisk hjælper klumpnings- og koagulationsprocesserne hinanden til at skride frem hurtigt og fungerer som en positiv-feedback-løkke.

"Støvvækst øger klumpningseffektiviteten, mens stærkere klumpning fremmer støvvækst," siger Tominaga. "Denne feedback er blevet forudsagt at fremme planetesimal dannelse."

Effekten holdt stik for både iskolde støvkorn og silikatkorn, som mere ligner sand.

For nu giver modellen et meget simpelt skøn over støvvækst, siger Tominaga. Han håber at kunne udføre numeriske simuleringer med højere præcision for at give et mere detaljeret billede af disse planetesimale dannelsesprocesser.

Flere oplysninger: Ryosuke T. Tominaga et al., Rapid Dust Growth during Hydrodynamic Clumping due to Streaming Instability, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/ad002e

Leveret af RIKEN