Um einen Gasriesenplaneten zu bauen, fügen Sie einfach Kieselsteine ​​hinzu

Sehr junges Planetensystem

Die Vorstellung eines Künstlers über ein sehr junges Planetensystem. Ein Modell der Planetengeneration postuliert, dass umlaufende Kieselsteine ​​der Schlüssel zu sich schnell bildenden Gasriesen sind. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)



Gasriesenplaneten wie Jupiter und Saturn entstehen schnell, indem sie kieselgroße Bausteine ​​​​aufsammeln und kleinere potenzielle Planeten aus dem Weg räumen, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.



Sterne werden aus langsam rotierenden Gaswolken geboren, die nach innen kollabieren; Protosterne drehen sich im Herzen einer Scheibe aus Gas und Staub immer schneller. Im Laufe der Zeit verklumpen die Staubkörner zu Kieselsteinen, Planetesimalen von Asteroidengröße und schließlich zu ganzen Planeten, die Wege durch den Staub und die Trümmer freimachen. Aber die Details dieses Planetenbildungsprozesses stehen noch zur Debatte.

Eine neue Simulation beantwortet wichtige Fragen zur Funktionsweise des schnell wirkenden Kieselstein-Akkretionsmodells der Gasriesenbildung, das nur wenige Planeten die Oberhand behält und kleinere Planeten und Asteroiden wie in unserem Sonnensystem in die Außenbezirke verbannt. [ Video: Beste Aussicht auf die Geburt eines Exoplaneten ]



'Dies ist das erste uns bekannte Modell, bei dem Sie mit einer ziemlich einfachen Struktur für den Sonnennebel beginnen, aus dem sich Planeten bilden, und am Ende das Riesenplanetensystem haben, das wir sehen', Studie Hauptautor Harold Levison, ein Astronom am Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, sagte demokratija.eu.

Kieselkraft

Frühere Theorien der Planetenentstehung beruhten auf einer langsamen Anhäufung von Staub über kieselgroße Trümmer bis hin zu berg- oder asteroidgroßen Planetesimalen, bis diese aufkeimenden Kerne groß genug wurden, um Wasserstoff- und Heliumgas in der Nähe aufzunehmen und Gasriesen zu bilden, wie sie die Sonne umkreisen. Beobachtungen deuteten jedoch darauf hin, dass sich die Planeten schnell bildeten, bevor das Gas, das die neugeborene Sonne umgab, sich auflöste – und die Wahrscheinlichkeit, dass die riesigen Planetesimale aufeinanderprallen und sich verbinden, waren zu gering, um schnell genug massive Planeten zu bilden.

Im Jahr 2012 schlugen die Forscher Michiel Lambrechts und Anders Johansen von der Universität Lund in Schweden ein Modell vor, bei dem winzige Kieselsteine, die aus Staubkörnern gebildet werden, die bei Kollisionen miteinander verschmolzen, den Schlüssel zur Gasriesen machen schnell — bis zu 1000-mal schneller als das Vorgängermodell.



'Sie zeigten, dass die übrig gebliebenen Kieselsteine ​​aus diesem Entstehungsprozess, die bisher als unwichtig galten, tatsächlich eine große Lösung für das Problem der Planetenbildung sein könnten', sagte Levison.

Und jetzt hat Levisons Gruppe genauer modelliert, wie man von diesem Mechanismus zu den Arten von Systemen kommt, die wir in das Universum .

Um zu verstehen, wie Kieselsteine ​​den Prozess beschleunigen, springen Sie von der Entstehung eines Sterns aus in der Zeit vorwärts.



Der junge Stern ist von einer Scheibe aus Gas, Staub und Kieselsteinen umgeben, mit gelegentlichen größeren Materiebrocken, die sich im Laufe der Zeit zusammenballen. Diese Brocken kollabieren unter ihrer eigenen Schwerkraft zu Planetesimalen und Planetenembryonen, Körpern, die groß genug sind, um ihre eigenen, unabhängigen Umlaufbahnen zu haben, aber die kleinen Kieselsteine ​​​​werden immer noch durch das Gas in ihren Umlaufbahnen gebremst und leichter gestört.

Wenn sich zwei große Objekte auf ihren Bahnen nähern, könnten sie einfach vorbeiziehen. Aber wenn sich ein Kieselstein einem größeren Körper nähert, wird er durch das umgebende Gas genug verlangsamt, um von der Schwerkraft des größeren Objekts angezogen zu werden und sich spiralförmig nach unten zu bewegen, um seine Masse zum Klumpen hinzuzufügen. Größere Klumpen und Planetesimale können Kieselsteine ​​mit dem 100- bis 1.000-fachen ihres Radius anziehen, sie einsaugen und immer größer werden.

Und hier kommt die neue Simulation ins Spiel. Im frühesten Modell zur Anhäufung von Kieselsteinen erhalten etwa 100 Planetesimale einen gleichen Anteil an Kieselsteinen, um jeweils etwa 10 Prozent der Größe der Erde zu erreichen, wobei keines groß genug wird, um den Kern von . zu bilden ein Gasriese. Aber im neuen Modell spielen sie nicht nett; die größeren Objekte stoßen die kleineren aus dem Weg.

'Die größeren Objekte neigen jetzt dazu, die kleineren mehr zu zerstreuen als die kleineren, sodass die kleineren aus der Kieselscheibe herausgestreut werden', sagte die Mitautorin der Studie Katherine Kretke, ebenfalls vom SwRI, gegenüber demokratija.eu . 'Der größere Kerl schikaniert im Grunde den kleineren, damit sie alle Kieselsteine ​​​​selbst essen können und weiter wachsen können, um die Kerne der riesigen Planeten zu bilden.' [ Quiz: Wie gut kennen Sie unser Sonnensystem? ]

Das Team stellte fest, dass sich das Problem der zu vielen kleinen Planetesimalen unter Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen auflöst. Der Kieselstein-Akkretionsprozess bildet schnell Planeten und das System beginnt, sehr vertraut auszusehen.

„Wir sind in der Lage, diese Anfangsbedingungen von ‚ziemlich einfach, mit einigen Planetesimalen und Kieselsteinen‘ zu nehmen und zu etwas heranzuwachsen, das ein paar riesige Planeten hat, einige eisige Körper draußen, Uranus und Neptun, und darüber hinaus ein ungestörter Kuipergürtel«, sagte Kretke. 'So ziemlich unser Sonnensystem.'

Eine Künstlerin

Künstlerische Darstellung von Gas und Staub, die Planeten um einen jungen Stern herum erschaffen.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Bis zur Geschwindigkeit

Das auf Kieselsteinen basierende Modell der Bildung von Gasriesen hat sich schnell durchgesetzt, so Levison und Johansen, ein Co-Autor des ersten Papiers, das das Modell vorschlägt.

Johansen hat eine Vermutung, warum: 'Manchmal hat man eine Idee, die die Dinge um den Faktor 2 oder 5 oder so verbessert', sagte er gegenüber demokratija.eu. „Mit Kieselsteinanlagerung kann man sehr leicht zeigen, dass sie die Planetenbildung um den Faktor 1.000 beschleunigen kann – das ist sehr schwer zu umgehen. Das muss man sehr ernst nehmen.'

Forschungen wie die von Levison tragen dazu bei, die Theorie zu konkretisieren, indem fortschrittliche Computersimulationen verwendet werden, um die Eigenschaften von Systemen herauszufinden, die durch einen Kieselstein-Akkretionsprozess gebildet wurden. (Die Durchführung einer vollständigen Simulation der Entstehung eines Sonnensystems dauerte etwa zwei Wochen.) Mit diesen Daten, sagte Johansen, können Forscher diese Eigenschaften mit denen vergleichen, die wir in kennen Planeten in anderen Sternensystemen um zu sehen, wie gut sie zusammenpassen.

„Manche Geschichten über die Entstehung von Planeten sind ‚vermeidbar‘ – das heißt, es gibt alternative Geschichten –, aber die Geschichte der Kieselsteinbildung ist in der einen oder anderen Form wahrscheinlich wichtig“, sagte David Stevenson, ein Planetenwissenschaftler am California Institute of Technology in Pasadena, die an der Studie nicht beteiligt war, sagte demokratija.eu per E-Mail. 'Dieses Papier zeigt die Hoffnung, einige der zuvor identifizierten Schwierigkeiten zu überwinden.'

Wenn immer mehr Forscher verschiedene Aspekte eines Kieselstein-Akkretionsmodells modellieren und untersuchen, werden sie in der Lage sein, ein detaillierteres Bild des Prozesses und seiner Bedeutung für unser Sonnensystem und die anderen, die wir in der gesamten Galaxie finden, zu zeichnen.

'Es ist eine völlig neue Sichtweise auf die Planetenentstehung, und die Leute arbeiten immer noch genau heraus, was es bedeutet', sagte John Chambers, ein Planetenwissenschaftler an der Carnegie Institution of Washington. Chambers ist auch nicht an der neuen Modellierungsstudie beteiligt, aber er hat untersucht, was der Kieselstein-Akkretionsprozess für die Gesamtform des Sonnensystems bedeuten würde.

'Aber es bringt sicherlich die Dinge durcheinander', sagte er gegenüber demokratija.eu.

Das neue Werk war Ausführlich heute (19. August) online in der Zeitschrift Nature .

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