De theorie over hoe planeten zich vormen, is voor wetenschappers een blijvend mysterie geweest. Terwijl astronomen een redelijk goed begrip hebben van waar planetenstelsels vandaan komen - dat wil zeggen protoplanetaire schijven van stof en gas rond nieuwe sterren (ook bekend als "Nebular Theory") - een volledig begrip van hoe deze schijven uiteindelijk objecten worden die groot genoeg zijn om in elkaar te storten de zwaartekracht is ongrijpbaar gebleven.
Maar dankzij een nieuwe studie door een team van onderzoekers uit Frankrijk, Australië en het VK, lijkt het erop dat het ontbrekende stukje van de puzzel eindelijk gevonden is. Met behulp van een reeks simulaties hebben deze onderzoekers laten zien hoe 'stofvangers' - dat wil zeggen gebieden waar fragmenten ter grootte van een kiezelsteen zich zouden kunnen verzamelen en aan elkaar kunnen plakken - genoeg zijn om planetesimalen te vormen.
Hun studie, getiteld "Self-Induced Dust Traps: Over overwinning Planet Formation Barriers", verscheen onlangs in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society.Onder leiding van Dr. Jean-Francois Gonzalez - van het Lyon Astrophysics Research Centre (CRAL) in Frankrijk - onderzocht het team het lastige middenstadium van planetaire vorming dat wetenschappers heeft geplaagd.
Tot voor kort was het goed bekend hoe protoplanetaire schijven van stof en gas samenkomen om voorwerpen met een peddelformaat te vormen, en het proces waarmee planetesimalen (voorwerpen met een diameter van honderd meter of meer) planetaire kernen vormen. Maar het proces dat deze twee overbrugt - waarbij kiezelstenen samenkomen om planetesimalen te vormen - is onbekend gebleven.
Een deel van het probleem was het feit dat het zonnestelsel, dat eeuwenlang ons enige referentiekader was, miljarden jaren geleden is ontstaan. Maar dankzij recente ontdekkingen (3453 bevestigde exoplaneten en tellen), hebben astronomen veel kansen gehad om andere systemen te bestuderen die zich in verschillende stadia van vorming bevinden. Zoals Dr. Gonzalez uitlegde in een persbericht van de Royal Astronomical Society:
"Tot nu toe hebben we moeite gehad om uit te leggen hoe kiezelstenen samen kunnen komen om planeten te vormen, en toch hebben we nu enorme aantallen planeten in een baan rond andere sterren ontdekt. Dat zette ons aan het denken over hoe we dit mysterie konden oplossen. '
In het verleden waren astronomen van mening dat 'stofvangers' - die een integraal onderdeel zijn van planeetvorming - alleen binnen bepaalde omgevingen konden bestaan. In deze hogedrukgebieden worden grote stofdeeltjes vertraagd tot het punt waarop ze samen kunnen komen. Deze regio's zijn buitengewoon belangrijk omdat ze de twee belangrijkste obstakels voor planetaire vorming tegengaan, namelijk weerstand en botsingen met hoge snelheid.
Slepen wordt veroorzaakt door het effect van gas op stofkorrels, waardoor ze vertragen en uiteindelijk in de centrale ster afdrijven (waar ze worden geconsumeerd). Wat betreft botsingen met hoge snelheid, dit is wat ervoor zorgt dat grote kiezelstenen in elkaar slaan en uit elkaar vallen, waardoor het aggregatieproces wordt omgekeerd. Stofvangers zijn daarom nodig om ervoor te zorgen dat stofdeeltjes net genoeg worden vertraagd, zodat ze elkaar niet zullen vernietigen als ze botsen.
Om te zien hoe vaak deze stofvangers voorkwamen, voerden Dr. Gonzalez en zijn collega's een reeks computersimulaties uit die rekening hielden met de vraag hoe stof in een protoplanetaire schijf weerstand zou kunnen uitoefenen op de gascomponent - een proces dat bekend staat als "aerodynamische weerstandsweerstand" ”. Waar gas typisch een arresterende invloed heeft op stofdeeltjes, in met name stoffige ringen, kan het tegendeel waar zijn.
Dit effect werd tot voor kort grotendeels genegeerd door astronomen, aangezien het over het algemeen vrij verwaarloosbaar is. Maar zoals het team opmerkte, is het een belangrijke factor in protoplanetaire schijven, die bekend staan als ongelooflijk stoffige omgevingen. In dit scenario is het effect van terugreactie dat de naar binnen bewegende stofdeeltjes worden vertraagd en gas naar buiten wordt geduwd waar het hogedrukgebieden vormt - d.w.z. 'stofvangers'.
Toen ze eenmaal rekening hielden met deze effecten, toonden hun simulaties hoe planeten zich vormen in drie basisfasen. In de eerste fase groeien stofkorrels in omvang en bewegen ze naar binnen richting de centrale ster. In de tweede stapelen de nu grotere, grotere korrels zich op en vertragen ze. In de derde en laatste fase wordt het gas door de terugreactie naar buiten geduwd, waardoor de stofvanggebieden ontstaan waar het zich ophoopt.
Deze vallen zorgen ervoor dat de steentjes zich kunnen verzamelen om planetesimalen te vormen, en uiteindelijk werelden van planeetformaat. Met dit model hebben astronomen nu een goed idee van hoe planetaire formatie van stoffige schijven naar samenkomende planetesimalen gaat. Naast het oplossen van een belangrijke vraag hoe het zonnestelsel is ontstaan, kan dit soort onderzoek van vitaal belang zijn bij de studie van exoplaneten.
Op de grond en in de ruimte gebaseerde observatoria hebben al de aanwezigheid opgemerkt van donkere en heldere ringen die zich vormen in protoplanetaire schijven rond verre sterren - waarvan wordt aangenomen dat ze stofvangers zijn. Deze systemen kunnen astronomen de kans geven om dit nieuwe model te testen, terwijl ze kijken hoe planeten langzaam bij elkaar komen. Gonzalez gaf aan:
“We waren heel blij om te ontdekken dat stofvangers, met de juiste ingrediënten op hun plaats, spontaan kunnen ontstaan in een breed scala aan omgevingen. Dit is een eenvoudige en robuuste oplossing voor een al lang bestaand probleem bij planeetvorming. ”
