Een nieuwe theorie over hoe planeten zich vormen, vindt toevluchtsoorden van stabiliteit te midden van gewelddadige turbulentie in het wervelende gas dat een jonge ster omringt. In deze beschermde gebieden kunnen planeten beginnen te vormen zonder te worden vernietigd. De theorie wordt gepubliceerd in het februari-nummer van het tijdschrift Icarus.
'Dit is een andere manier om een planeet op gang te krijgen. Het verenigt de twee belangrijkste theorieën over planeetvorming ”, zegt Richard Durisen, hoogleraar astronomie en voorzitter van die afdeling aan de Indiana University Bloomington. Durisen is een leider in het gebruik van computers om planeetvorming te modelleren.
Als je zijn simulaties op een computerscherm bekijkt, kun je je gemakkelijk voorstellen dat je vanuit een uitkijkpunt in de interstellaire ruimte naar beneden kijkt en het proces daadwerkelijk ziet gebeuren.
Een groene schijf gas wervelt rond een centrale ster. Uiteindelijk verschijnen er gele spiraalarmen in de schijf, die gebieden aangeven waar het gas dichter wordt. Dan verschijnen er een paar rode vlekken, eerst slechts hints, maar dan geleidelijk stabieler. Deze rode gebieden zijn nog dichter, en laten zien waar gasmassa's zich ophopen die later planeten kunnen worden.
De turbulente gassen en wervelende schijven zijn wiskundige constructies die gebruik maken van hydrodynamica en computergraphics. De computermonitor geeft de resultaten van de berekeningen van de wetenschappers weer als kleurrijke animaties.
'Dit zijn de schijven van gas en stof die astronomen rond de meeste jonge sterren zien, van waaruit planeten ontstaan', legde Durisen uit. "Ze zijn als een gigantische draaikolk die in een baan om de ster draait. Uit zo'n schijf is ons eigen zonnestelsel ontstaan. '
Wetenschappers kennen nu meer dan 130 planeten rond andere sterren, en bijna allemaal zijn ze minstens zo massief als Jupiter. "Gasreuzenplaneten komen vaker voor dan we 10 jaar geleden hadden kunnen vermoeden", zei hij. 'De natuur is redelijk goed in het maken van deze planeten.'
De sleutel om te begrijpen hoe planeten worden gemaakt, is volgens Durisen een fenomeen dat zwaartekrachtinstabiliteiten wordt genoemd. Wetenschappers hebben lang gedacht dat als gasschijven rond sterren massief genoeg en koud genoeg zijn, deze instabiliteit optreedt, waardoor de zwaartekracht van de schijf de gasdruk kan overweldigen en delen van de schijf samen kunnen trekken en dichte klonten kunnen vormen, die planeten zouden kunnen worden.
Een door zwaartekracht instabiele schijf is echter een gewelddadige omgeving. Interacties met ander schijfmateriaal en andere klonten kunnen een potentiële planeet in de centrale ster werpen of hem volledig uit elkaar scheuren. Als planeten zich op een onstabiele schijf willen vormen, hebben ze een beter beschermde omgeving nodig, en Durisen denkt dat hij die heeft gevonden.
Terwijl zijn simulaties lopen, vormen zich gasringen in de schijf aan de rand van een onstabiel gebied en worden ze dichter. Als vaste deeltjes die zich ophopen in een ring snel naar het midden van de ring migreren, zou de kern van een planeet veel sneller kunnen vormen.
De tijdsfactor is belangrijk. Een grote uitdaging waarmee Durisen en andere theoretici worden geconfronteerd, is een recente ontdekking door astronomen dat gigantische gasplaneten zoals Jupiter vrij snel worden gevormd volgens astronomische normen. Ze moeten - anders is het gas dat ze nodig hebben weg.
"Astronomen weten nu dat enorme schijven gas rond jonge sterren de neiging hebben om over een periode van een paar miljoen jaar weg te gaan," zei Durisen. "Dus dat is de kans om gasrijke planeten te maken. Jupiter en Saturnus en de planeten die veel voorkomen rond andere sterren zijn allemaal gasreuzen, en die planeten moeten gemaakt worden tijdens dit venster van een paar miljoen jaar waarin er nog een aanzienlijke hoeveelheid gasschijf rond is. '
Deze behoefte aan snelheid veroorzaakt problemen voor elke theorie met een ontspannen benadering van het vormen van planeten, zoals de theorie van de kernaantasting die tot voor kort het standaardmodel was.
"In de kernacretietheorie wordt de vorming van gasreuzenplaneten opgestart door een proces dat lijkt op de manier waarop planeten zoals de aarde zich ophopen," legde Durisen uit. “Stevige objecten raken elkaar en blijven bij elkaar en worden groter. Als een solide object ongeveer 10 keer de massa van de aarde wordt en er is ook gas in de buurt, wordt het massief genoeg om door zwaartekracht veel van het gas vast te pakken. Als dat eenmaal gebeurt, krijg je een snelle groei van een gasreuzenplaneet. '
Het probleem is dat het lang duurt om op die manier een solide kern te vormen - ergens tussen de 10 miljoen en 100 miljoen jaar. De theorie werkt misschien voor Jupiter en Saturnus, maar niet voor tientallen planeten rond andere sterren. Veel van deze andere planeten hebben een veelvoud van de massa van Jupiter, en het is erg moeilijk om zulke enorme planeten te maken door kernaanwas.
De theorie dat zwaartekrachtinstabiliteiten op zichzelf gasreuzenplaneten kunnen vormen, werd voor het eerst voorgesteld meer dan 50 jaar geleden. Het is onlangs nieuw leven ingeblazen vanwege problemen met de kernaantastingstheorie. Het idee dat enorme massa's gas plotseling door de zwaartekracht instorten om een dicht object te vormen, misschien in slechts een paar banen, past zeker binnen het beschikbare tijdsbestek, maar het heeft zijn eigen problemen.
Volgens de zwaartekrachtinstabiliteitstheorie vormen spiraalarmen zich in een gasschijf en vallen dan uiteen in klonten die zich in verschillende banen bevinden. Deze bosjes overleven en worden groter totdat zich planeten om hen heen vormen. Durisen ziet deze klonten in zijn simulaties, maar ze duren niet lang.
'De bosjes vliegen rond en schuiven uit en vormen zich opnieuw en worden keer op keer vernietigd', zei hij. “Als de zwaartekrachtsstabiliteit sterk genoeg is, zal een spiraalarm in klonten breken. De vraag is: wat gebeurt er met hen? '
Co-auteurs van de paper zijn IU-doctoraatsstudent Kai Cai en twee van de voormalige studenten van Durisen: Annie C. Mejia, postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Astronomy, University of Washington; en Megan K. Pickett, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie, Purdue University Calumet.
Oorspronkelijke bron: Indiana University News Release
