Eine neue Theorie darüber, wie sich Planeten bilden, findet Zufluchtsorte der Stabilität inmitten heftiger Turbulenzen im wirbelnden Gas, das einen jungen Stern umgibt. In diesen Schutzgebieten können sich Planeten bilden, ohne zerstört zu werden. Die Theorie wird in der Februar-Ausgabe der Zeitschrift Icarus veröffentlicht.
„Dies ist ein weiterer Weg, um einen Planeten in Gang zu bringen. Es verbindet die beiden Haupttheorien der Planetenbildung “, sagte Richard Durisen, Professor für Astronomie und Vorsitzender dieser Abteilung an der Indiana University Bloomington. Durisen ist führend in der Verwendung von Computern zur Modellierung der Planetenbildung.
Wenn man sieht, wie seine Simulationen auf einem Computermonitor ausgeführt werden, kann man sich leicht vorstellen, von einem Standpunkt im interstellaren Raum aus nach unten zu schauen und zu beobachten, wie der Prozess tatsächlich abläuft.
Eine grüne Gasscheibe wirbelt um einen Zentralstern. Schließlich beginnen gelbe Spiralarme innerhalb der Scheibe zu erscheinen, was auf Bereiche hinweist, in denen das Gas dichter wird. Dann erscheinen ein paar rote Flecken, zunächst nur Andeutungen, dann aber allmählich stabiler. Diese roten Bereiche sind noch dichter und zeigen, wo sich Gasmassen ansammeln, die später zu Planeten werden könnten.
Die turbulenten Gase und Wirbelscheiben sind mathematische Konstruktionen unter Verwendung von Hydrodynamik und Computergrafik. Der Computermonitor zeigt die Ergebnisse der Berechnungen der Wissenschaftler als farbenfrohe Animationen an.
"Dies sind die Scheiben aus Gas und Staub, die Astronomen um die meisten jungen Sterne sehen, aus denen sich Planeten bilden", erklärte Durisen. "Sie sind wie ein riesiger Whirlpool, der im Orbit um den Stern wirbelt. Aus einer solchen Scheibe hat sich unser eigenes Sonnensystem gebildet. “
Wissenschaftler kennen inzwischen mehr als 130 Planeten um andere Sterne, und fast alle sind mindestens so massereich wie Jupiter. "Gasriesenplaneten sind häufiger als wir es vor 10 Jahren hätten erraten können", sagte er. "Die Natur ist ziemlich gut darin, diese Planeten herzustellen."
Der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung von Planeten ist laut Durisen ein Phänomen, das als Gravitationsinstabilität bezeichnet wird. Wissenschaftler haben lange gedacht, dass diese Instabilitäten auftreten, wenn Gasscheiben um Sterne massiv genug und kalt genug sind, wodurch die Schwerkraft der Scheibe den Gasdruck überwältigt und Teile der Scheibe zusammenziehen und dichte Klumpen bilden, die zu Planeten werden können.
Eine durch Gravitation instabile Scheibe ist jedoch eine gewalttätige Umgebung. Wechselwirkungen mit anderem Scheibenmaterial und anderen Klumpen können einen potenziellen Planeten in den Zentralstern werfen oder ihn vollständig zerreißen. Wenn sich Planeten in einer instabilen Scheibe bilden sollen, brauchen sie eine besser geschützte Umgebung, und Durisen glaubt, eine gefunden zu haben.
Während seiner Simulationen bilden sich Gasringe in der Scheibe am Rand eines instabilen Bereichs und werden dichter. Wenn sich in einem Ring ansammelnde feste Teilchen schnell in die Mitte des Rings wandern, könnte sich der Kern eines Planeten viel schneller bilden.
Der Zeitfaktor ist wichtig. Eine große Herausforderung für Durisen und andere Theoretiker ist die jüngste Entdeckung von Astronomen, dass sich riesige Gasplaneten wie Jupiter nach astronomischen Maßstäben relativ schnell bilden. Sie müssen - sonst ist das benötigte Gas weg.
"Astronomen wissen jetzt, dass massive Gasscheiben um junge Sterne über einen Zeitraum von einigen Millionen Jahren hinweg verschwinden", sagte Durisen. "Das ist also die Chance, gasreiche Planeten herzustellen. Jupiter und Saturn und die Planeten, die um andere Sterne verbreitet sind, sind alle Gasriesen, und diese Planeten müssen in diesem paar Millionen Jahre dauernden Fenster hergestellt werden, in dem sich noch eine beträchtliche Menge an Gasscheiben befindet. “
Dieses Bedürfnis nach Geschwindigkeit verursacht Probleme für jede Theorie mit einem gemächlichen Ansatz zur Bildung von Planeten, wie die Kernakkretionstheorie, die bis vor kurzem das Standardmodell war.
"In der Kernakkretionstheorie wird die Bildung von Gasriesenplaneten durch einen Prozess gestartet, der der Art und Weise ähnelt, wie sich Planeten wie die Erde ansammeln", erklärte Durisen. „Feste Objekte treffen aufeinander und halten zusammen und wachsen an Größe. Wenn ein festes Objekt etwa zehnmal so groß wie die Masse der Erde wird und sich auch Gas in der Nähe befindet, wird es massiv genug, um durch die Schwerkraft einen Großteil des Gases zu erfassen. Sobald dies geschieht, wächst ein Gasriesenplanet schnell. “
Das Problem ist, dass es lange dauert, auf diese Weise einen soliden Kern zu bilden - zwischen 10 und 100 Millionen Jahren. Die Theorie mag für Jupiter und Saturn funktionieren, aber nicht für Dutzende von Planeten um andere Sterne. Viele dieser anderen Planeten haben ein Mehrfaches der Masse des Jupiter, und es ist sehr schwierig, solch enorme Planeten durch Kernakkretion herzustellen.
Die Theorie, dass Gravitationsinstabilitäten selbst Gasriesenplaneten bilden können, wurde erstmals vor mehr als 50 Jahren vorgeschlagen. Es wurde kürzlich aufgrund von Problemen mit der Kernakkretionstheorie wiederbelebt. Die Vorstellung, dass riesige Gasmassen plötzlich durch die Schwerkraft zusammenbrechen und ein dichtes Objekt bilden, vielleicht in nur wenigen Umlaufbahnen, passt zwar zum verfügbaren Zeitrahmen, hat aber einige eigene Probleme.
Nach der Gravitationsinstabilitätstheorie bilden sich Spiralarme in einer Gasscheibe und zerfallen dann in Klumpen, die sich in verschiedenen Bahnen befinden. Diese Klumpen überleben und werden größer, bis sich Planeten um sie herum bilden. Durisen sieht diese Klumpen in seinen Simulationen - aber sie halten nicht lange an.
"Die Klumpen fliegen herum und scheren und formen sich neu und werden immer wieder zerstört", sagte er. „Wenn die Gravitationsinstabilitäten stark genug sind, bricht ein Spiralarm in Klumpen. Die Frage ist, was passiert mit ihnen? "
Mitautoren der Arbeit sind die IU-Doktorandin Kai Cai und zwei ehemalige Studenten von Durisen: Annie C. Mejia, Postdoktorandin am Department of Astronomy der University of Washington; und Megan K. Pickett, außerordentliche Professorin für Physik und Astronomie an der Purdue University Calumet.
Originalquelle: Pressemitteilung der Indiana University
