Nowa teoria powstawania planet znajduje raje stabilności wśród gwałtownych turbulencji w wirującym gazie otaczającym młodą gwiazdę. Te chronione obszary są miejscem, w którym planety mogą zacząć formować się bez niszczenia. Teoria zostanie opublikowana w lutowym numerze czasopisma Icarus.
„To kolejny sposób na rozpoczęcie planety. Łączy dwie główne teorie formowania się planet ”- powiedział Richard Durisen, profesor astronomii i przewodniczący tego wydziału na Uniwersytecie Indiana Bloomington. Durisen jest liderem w użyciu komputerów do modelowania formowania się planet.
Obserwując jego symulacje na monitorze komputera, łatwo sobie wyobrazić patrzenie w dół z punktu obserwacyjnego w przestrzeni międzygwiezdnej i obserwowanie, jak proces ten rzeczywiście się dzieje.
Zielony dysk gazu wiruje wokół gwiazdy centralnej. W końcu spiralne żółte ramiona zaczynają pojawiać się wewnątrz dysku, wskazując obszary, w których gaz staje się gęstszy. Potem pojawia się kilka kropel czerwieni, początkowo tylko wskazówki, ale potem stopniowo bardziej stabilne. Te czerwone regiony są jeszcze gęstsze, co pokazuje, gdzie gromadzą się masy gazu, które później mogą stać się planetami.
Turbulentne gazy i wirujące dyski są konstrukcjami matematycznymi wykorzystującymi hydrodynamikę i grafikę komputerową. Monitor komputera wyświetla wyniki obliczeń naukowców jako kolorowe animacje.
„Są to dyski gazu i pyłu, które astronomowie widzą wokół większości młodych gwiazd, z których tworzą się planety” - wyjaśnił Durisen. „Są jak gigantyczny wir wirujący wokół gwiazdy na orbicie. Nasz własny układ słoneczny uformowany z takiego dysku. ”
Naukowcy wiedzą teraz o ponad 130 planetach wokół innych gwiazd, a prawie wszystkie z nich są co najmniej tak masywne jak Jowisz. „Gigantyczne planety gazowe są bardziej powszechne, niż moglibyśmy się domyślić nawet 10 lat temu” - powiedział. „Natura jest całkiem dobra w tworzeniu tych planet”.
Według Durisen kluczem do zrozumienia budowy planet jest zjawisko zwane niestabilnością grawitacyjną. Naukowcy od dawna sądzili, że jeśli dyski z gazem wokół gwiazd są wystarczająco masywne i wystarczająco zimne, zdarzają się te niestabilności, co pozwala grawitacji dysku pokonać ciśnienie gazu i spowodować, że części dysku zbiegają się i tworzą gęste grudki, które mogą stać się planetami.
Jednak dysk niestabilny grawitacyjnie jest środowiskiem pełnym przemocy. Interakcje z innym materiałem dysku i innymi grudkami mogą wrzucić potencjalną planetę do gwiazdy centralnej lub całkowicie ją rozerwać. Jeśli planety mają powstać na niestabilnym dysku, potrzebują bardziej chronionego środowiska, a Durisen myśli, że je znalazł.
W trakcie jego symulacji pierścienie gazu tworzą się na dysku na krawędzi niestabilnego regionu i gęstnieją. Gdyby cząstki stałe gromadzące się w pierścieniu szybko migrowały do środka pierścienia, jądro planety mogłoby uformować się znacznie szybciej.
Czynnik czasu jest ważny. Głównym wyzwaniem, przed którym stoją Durisen i inni teoretycy, jest niedawne odkrycie przez astronomów, że gigantyczne planety gazowe, takie jak Jowisz, formują się dość szybko według standardów astronomicznych. Muszą - w przeciwnym razie potrzebny im gaz zniknie.
„Astronomowie wiedzą teraz, że ogromne dyski gazu wokół młodych gwiazd znikają na przestrzeni kilku milionów lat” - powiedział Durisen. „To szansa na stworzenie planet bogatych w gaz. Jowisz i Saturn oraz planety wspólne wokół innych gwiazd są gigantami gazowymi, a planety te muszą zostać wykonane w tym oknie trwającym kilka milionów lat, kiedy wokół znajduje się jeszcze znaczna ilość dysku gazowego. ”
Ta potrzeba prędkości powoduje problemy dla każdej teorii, w której leniwie podchodzi się do tworzenia planet, takich jak teoria akrecji rdzeniowej, która do niedawna była standardowym modelem.
„W teorii akrecji rdzeniowej formowanie się gigantycznych planet gazowych rozpoczyna się od procesu podobnego do sposobu, w jaki gromadzą się planety takie jak Ziemia” - wyjaśnił Durisen. „Stałe obiekty uderzają się o siebie, sklejają się i powiększają. Jeśli bryła wzrośnie do około 10-krotności masy Ziemi, a wokół niej będzie również gaz, staje się wystarczająco masywny, aby złapać dużą część gazu grawitacyjnie. Gdy to się stanie, nastąpi szybki rozwój gazowej gigantycznej planety. ”
Problem polega na tym, że uformowanie solidnego rdzenia zajmuje dużo czasu - w dowolnym miejscu od około 10 milionów do 100 milionów lat. Teoria może działać dla Jowisza i Saturna, ale nie dla dziesiątek planet wokół innych gwiazd. Wiele z tych innych planet ma kilkakrotnie masę Jowisza i bardzo trudno jest zbudować tak ogromne planety na podstawie akrecji rdzeniowej.
Teoria, że niestabilności grawitacyjne same w sobie mogą tworzyć gigantyczne planety gazowe, została po raz pierwszy zaproponowana ponad 50 lat temu. Niedawno został przywrócony z powodu problemów z teorią akrecji. Pomysł, że ogromne masy gazu nagle zapadają się pod wpływem siły grawitacji, tworząc gęsty obiekt, być może na kilku orbitach, z pewnością pasuje do dostępnych ram czasowych, ale ma pewne problemy.
Zgodnie z teorią niestabilności grawitacyjnej ramiona spiralne formują się w dysku gazowym, a następnie rozpadają się na grudki, które znajdują się na różnych orbitach. Kępy te przeżywają i rosną, aż wokół nich powstają planety. Durisen widzi te grudki w swoich symulacjach - ale one nie trwają długo.
„Kępy latają wokół, ścinają się, formują i ciągle są niszczone” - powiedział. „Jeśli niestabilności grawitacyjne są wystarczająco silne, spiralne ramię rozpadnie się na grudki. Pytanie brzmi: co się z nimi stanie?
Współautorami pracy są doktorant IU Kai Cai i dwóch byłych studentów Durisen: Annie C. Mejia, doktor habilitowany na Wydziale Astronomii Uniwersytetu Waszyngtońskiego; oraz Megan K. Pickett, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii, Purdue University Calumet.
Oryginalne źródło: Indiana University News Release
