Flyttning inåt av en grupp protoplaneter, där de representeras av vita cirklar. Bildkredit: QMUL Klicka för förstoring
Astronomer tror att de har tagit hand om många aspekter av planetbildning. Enligt deras modell borde kärnorna på dessa massiva planeter dras inåt av sin moderstjärna på bara 100 000 år - inte tillräckligt med tid att formas till en stabil bana. Det kan hända att de första generationerna av planeter aldrig kommer förbi "klump" -stadiet innan de förstörs. Det är bara de senare generationerna som faktiskt överlever tillräckligt länge för att bli planeter.
Två brittiska astronomer, Paul Cresswell och Richard Nelson presenterar nya numeriska simuleringar inom ramen för de utmanande studierna av planetsystembildning. De upptäcker att i de tidiga stadierna av planetsbildning migrerar jätteprotoplaneter inåt i låssteg till den centrala stjärnan. Deras resultat kommer snart att publiceras i Astronomy & Astrophysics.
I en artikel som kommer att publiceras i Astronomy & Astrophysics presenterar två brittiska astronomer nya numeriska simuleringar av hur planetsystem bildas. De upptäcker att i de tidiga stadierna av planetbildningen migrerar jätteprotoplaneter inåt i låssteg till den centrala stjärnan.
Den nuvarande bilden av hur planetsystem bildas är enligt följande: i) dammkorn koagulerar för att bilda planetesimaler med upp till 1 km i diameter; ii) den snabba tillväxten av planetesimaler leder till bildandet av ~ 100? 1000 km stora planetembryon; iii) dessa embryon växer på ett "oligarkiskt" sätt, där några få stora kroppar dominerar bildningsprocessen, och ansluter de omgivande och mycket mindre planetesimaler. Dessa "oligarker" bildar markplaneter nära den centrala stjärnstjärnan och planetkärnorna i tio markmassor i jätteplanetområdet utanför 3 astronomiska enheter (AU).
Dessa teorier beskriver emellertid inte bildandet av gasjätteplaneter på ett tillfredsställande sätt. Gravitationsinteraktion mellan den gasformiga protoplanetära skivan och de massiva planetkärnorna får dem att röra sig snabbt inåt under cirka 100 000 år i det vi kallar ”migrationen” av planeten på skivan. Förutsägelsen av denna snabba migration inåt av gigantiska protoplaneter är ett stort problem, eftersom den här tidsskalan är mycket kortare än den tid som krävs för gas för att ansluta sig till den bildande jätteplaneten. Teorierna förutspår att de gigantiska protoplaneterna kommer att smälta samman till den centrala stjärnan innan planeter har tid att bildas. Detta gör det mycket svårt att förstå hur de alls kan bildas.
För första gången undersökte Paul Cresswell och Richard Nelson vad som händer med ett kluster av formande planeter inbäddade i en gasformig protoplanetärisk skiva. Tidigare numeriska modeller har bara inkluderat en eller två planeter på en skiva. Men vårt eget solsystem, och över 10% av de kända extrasolära planetariska systemen, är flera planetsystem. Antalet sådana system förväntas öka när observationsmetoder för extrasolära system förbättras. Cresswell och Nelsons arbete är första gången numeriska simuleringar har inkluderat ett så stort antal protoplaneter, och därmed beaktar gravitationsinteraktionen mellan protoplaneterna och skivan, och bland protoplaneterna själva.
Den primära motivationen för deras arbete är att undersöka banorna hos protoplaneter och om vissa planeter kan överleva på skivan under längre tid. Deras simuleringar visar att, i mycket få fall (cirka 2%), en ensam protoplanet matas ut långt från den centrala stjärnan, vilket förlänger livslängden. Men i de flesta fall (98%) är många av protoplaneterna fångade i en serie orbitalresonanser och migrerar inåt i låssteget, ibland till och med smälter samman med den centrala stjärnan.
Cresswell och Nelson hävdar alltså att gravitationsinteraktioner inom en svärm av protoplaneter inbäddade i en skiva inte kan stoppa protoplanets migration inåt. "Problemet" med migration kvarstår och kräver mer utredning, även om astronomerna föreslår flera möjliga lösningar. Det kan vara att flera generationer av planeter bildas och att bara de som bildas när skivan sprids överlever bildningsprocessen. Detta kan göra det svårare att bilda gasjättar, eftersom skivan är uttömd av materialet från vilket gasjätteplaneter bildas. (Gasgigantbildning kan dock fortfarande vara möjlig, om tillräckligt med gas ligger utanför planeternas banor, eftersom nytt material kan svepa inåt för att anslutas av den formande planeten). En annan lösning kan vara relaterad till de fysiska egenskaperna hos den protoplanetära skivan. I sina simuleringar antog astronomerna att den protoplanetära skivan är slät och icke-turbulent, men detta kan naturligtvis inte vara fallet. Stora delar av skivan kan vara mer turbulenta (som en följd av instabiliteter orsakade av magnetfält), vilket kan förhindra migrering inåt under långa tidsperioder.
Detta arbete går med i andra studier av bildning av planetsystem som för närvarande görs av ett europeiskt nätverk av forskare. Vår syn på hur planeter formar har drastiskt förändrats under de senaste åren när antalet nyupptäckta planetsystem har ökat. Att förstå bildandet av jätteplaneter är för närvarande en av de största utmaningarna för astronomer.
Originalkälla: Astronomy & Astrophysics
