Bildkredit: NASA
Om främmande astronomer runt en avlägsen stjärna hade studerat den unga solen för fyra och en halv miljard år sedan, skulle de ha kunnat se tecken på en nybildad jord som kretsar kring den oskyldiga gula stjärnan? Svaret är ja, enligt Scott Kenyon (Smithsonian Astrophysical Observatory) och Benjamin Bromley (University of Utah). Dessutom säger deras datormodell att vi kan använda samma skyltar för att hitta platser där planeter i jordstorlek för närvarande bildar unga världar som en dag kan vara värd för sitt eget liv.
Nyckeln till att hitta nyfödda jordar, säger Kenyon och Bromley, är att inte leta efter planeten själv, utan efter en dammring som kretsar runt stjärnan som är ett fingeravtryck för markbunden (stenig) planetbildning.
"Chansen är stor, om det finns en dammring, det finns en planet", säger Kenyon.
Bra planeter är svåra att hitta
Vårt solsystem bildas från en virvlande skiva med gas och damm, kallad en protoplanetärisk skiva, som kretsar kring den unga solen. Samma material finns i vår galax, så fysiklagarna förutspår att andra stjärnsystem kommer att bilda planeter på liknande sätt.
Även om planeter kan vara vanliga är de svåra att upptäcka eftersom de är för svaga och ligger för nära en mycket ljusare stjärna. Därför söker astronomer planeter genom att leta efter indirekta bevis på deras existens. I unga planetariska system kan bevisen finnas på själva disken och i hur planeten påverkar den dammiga skivan som den bildar från.
Stora planeter av jupiterstorlek har stor tyngdkraft. Denna tyngdkraft påverkar starkt den dammiga skivan. En enda Jupiter kan rensa en ringformad lucka i disken, vrida skivan eller skapa koncentrerade dammar som lämnar ett mönster i disken som en köl från en båt. Närvaron av en jätteplanet kan förklara det väckningsliknande mönstret som ses på disken runt den 350 miljoner år gamla stjärnan Vega.
Små, jordstorlekar, däremot, har svagare tyngdkraft. De påverkar hårddisken svagare och lämnar mer subtila tecken på deras närvaro. I stället för att leta efter varp eller vaknar, rekommenderar Kenyon och Bromley att titta på hur starkt stjärnsystemet är vid infraröda (IR) ljusvåglängder. (Infrarött ljus, som vi uppfattar som värme, är ljus med längre våglängder och mindre energi än synligt ljus.)
Stjärnor med dammiga skivor är ljusare i IR än stjärnor utan skivor. Ju mer damm ett stjärnsystem håller, desto ljusare är det i IR. Kenyon och Bromley har visat att astronomer kan använda IR-ljusstyrkor inte bara för att upptäcka en disk, utan också för att berätta när en jordstorlek planeterar bildas inom den disken.
"Vi var de första som beräknade de förväntade nivåerna av dammproduktion och tillhörande infraröda överskott, och de första som visade att markbildning på marken producerar observerbara mängder damm," säger Bromley.
Bygga planeter från grunden
Den vanligaste teorin om planetbildning kräver att bygga planeter "från grunden." Enligt koaguleringsteorin, kolliderar små bitar av stenigt material i en protoplanetärisk skiva. Under tusentals år växer små klumpar till större och större klumpar, som att bygga en snögubbe en handfull snö åt gången. Så småningom växer de klippiga klumparna så stora att de blir fullplaneter.
Kenyon och Bromley modellerar planeringsbildningen med hjälp av ett komplext datorprogram. De “fröer” en protoplanetärisk skiva med en miljard planesimaler 0,6 mil (1 kilometer) i storlek, som alla kretsar om en central stjärna, och stegar systemet framåt i tid för att se hur planeter utvecklas från de grundläggande ingredienserna.
"Vi gjorde simuleringen så realistisk som vi kunde och fortfarande slutför beräkningarna på rimlig tid," säger Bromley.
De tyckte att planeringsbildningsprocessen var anmärkningsvärt effektiv. Till en början inträffar kollisioner mellan planetesimaler med låg hastighet, så kolliderande föremål tenderar att smälta samman och växa. På ett typiskt jord-solavstånd tar det bara cirka 1000 år för en kilometer föremål att växa till 100 kilometer (60 mil). Ytterligare 10 000 år producerar protoplaneter med en diameter på 600 mil, som växer under ytterligare 10 000 år och blir 1200 mil diameter i protoplaneter. Därför kan månformade objekt bildas på så lite som 20 000 år.
När planetesimalerna inom skivan blir större och mer massiva, blir deras gravitation starkare. När några få objekt når en storlek på 600 mil börjar de "röra upp" de återstående mindre föremålen. Gravity slingshots de mindre, asteroidstora bitarna av sten till högre och högre hastigheter. De reser så snabbt att när de kolliderar smälter de inte samman - de pulveriserar, krossar varandra våldsamt. Medan de största protoplaneterna fortsätter att växa, slipar resten av de steniga planetesimalerna varandra till damm.
”Dammet bildar precis där planeten bildas, på samma avstånd från sin stjärna,” säger Kenyon. Som ett resultat indikerar dammets temperatur var planeten formas. Damm i en Venusliknande bana kommer att vara varmare än damm i en jordliknande bana, vilket ger en ledtråd till spädbarnsplanetens avstånd från sin stjärna.
Storleken på de största föremålen på disken bestämmer dammproduktionshastigheten. Mängden damm toppar sig när 600 mil protoplaneter har bildats.
"Spitzer Space Telescope borde kunna upptäcka sådana dammtoppar," säger Bromley.
För närvarande täcker Kenyon och Bromleys jordformationsmodell för jord endast en bråkdel av solsystemet, från Venus bana till ett avstånd ungefär halvvägs mellan Jorden och Mars. I framtiden planerar de att utvidga modellen till att omfatta banor så nära solen som Merkurius och så avlägsen som Mars.
De har också modellerat bildningen av Kuiper Belt-en region av små, isiga och steniga föremål bortom Neptuns omloppsbana. Nästa logiska steg är att modellera bildandet av gasjättar som Jupiter och Saturn.
"Vi börjar i solsystemets kanter och arbetar inåt," säger Kenyon med ett flin. ”Vi arbetar också upp i massan. Jorden är 1000 gånger massivare än ett Kuiper Belt-objekt, och Jupiter är 1000 gånger massivare än jorden. ”
"Vårt ultimata mål är att modellera och förstå bildandet av hela vårt solsystem." Kenyon uppskattar att deras mål kan uppnås inom ett decennium, eftersom datorhastigheten fortsätter att öka, vilket möjliggör simulering av ett helt solsystem.
Denna forskning publicerades i februari 20, 2004, numret av The Astrophysical Journal Letters. Ytterligare information och animationer finns tillgängliga online på http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, med huvudkontor i Cambridge, Mass., Är ett gemensamt samarbete mellan Smithsonian Astrophysical Observatory och Harvard College Observatory. CfA-forskare, organiserade i sex forskningsavdelningar, studerar universums ursprung, evolution och slutliga öde.
Originalkälla: CfA News Release
