Binnenwaartse migratie van een groep protoplaneten, waar ze worden vertegenwoordigd door witte cirkels. Afbeelding tegoed: QMUL Klik om te vergroten
Astronomen denken dat ze grip hebben op veel aspecten van planetaire vorming. Volgens hun model zouden de kernen van deze enorme planeten binnen 100.000 jaar door hun moederster naar binnen moeten worden getrokken - lang niet genoeg tijd om een stabiele baan te vormen. Het kan zijn dat de eerste generaties planeten nooit voorbij de 'klompfase' komen voordat ze zijn vernietigd. Alleen de latere generaties overleven lang genoeg om planeten te worden.
Twee Britse astronomen, Paul Cresswell en Richard Nelson, presenteren nieuwe numerieke simulaties in het kader van de uitdagende studies van de vorming van planetenstelsels. Ze ontdekken dat gigantische protoplaneten, in de vroege stadia van de vorming van planeten, in een lockstep naar binnen migreren naar de centrale ster. Hun resultaten worden binnenkort gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics.
In een artikel dat zal verschijnen in Astronomy & Astrophysics, presenteren twee Britse astronomen nieuwe numerieke simulaties van hoe planetaire systemen ontstaan. Ze ontdekken dat gigantische protoplaneten, in de vroege stadia van de vorming van planeten, in een lockstep naar binnen migreren naar de centrale ster.
Het huidige beeld van hoe planetaire systemen zich vormen is als volgt: i) stofdeeltjes coaguleren tot planetesimalen met een diameter tot 1 km; ii) de weggelopen groei van planetesimalen leidt tot de vorming van ~ 100? Planetaire embryo's van 1000 km groot; iii) deze embryo's groeien op een "oligarchische" manier, waarbij een paar grote lichamen het vormingsproces domineren en de omringende en veel kleinere planetesimalen opnemen. Deze 'oligarchen' vormen terrestrische planeten nabij de centrale ster en planetaire kernen van tien terrestrische massa's in het gebied van de reuzenplaneet voorbij 3 astronomische eenheden (AU).
Deze theorieën beschrijven de vorming van gasreuzenplaneten echter niet op bevredigende wijze. Gravitatie-interactie tussen de gasvormige protoplanetaire schijf en de massieve planetaire kernen zorgt ervoor dat ze snel naar binnen bewegen over ongeveer 100.000 jaar in wat we de "migratie" van de planeet in de schijf noemen. De voorspelling van deze snelle inwaartse migratie van gigantische protoplaneten is een groot probleem, aangezien deze tijdschaal veel korter is dan de tijd die gas nodig heeft om zich op de zich vormende reuzenplaneet aan te trekken. Theorieën voorspellen dat de gigantische protoplaneten zullen opgaan in de centrale ster voordat planeten de tijd hebben om zich te vormen. Dit maakt het erg moeilijk om te begrijpen hoe ze zich überhaupt kunnen vormen.
Voor het eerst onderzochten Paul Cresswell en Richard Nelson wat er gebeurt met een cluster van vormende planeten ingebed in een gasvormige protoplanetaire schijf. Eerdere numerieke modellen bevatten slechts één of twee planeten op een schijf. Maar ons eigen zonnestelsel en meer dan 10% van de bekende exoplaneet planetaire systemen zijn systemen met meerdere planeten. Het aantal van dergelijke systemen zal naar verwachting toenemen naarmate de observatietechnieken van extrasolaire systemen verbeteren. Het werk van Cresswell en Nelson is de eerste keer dat numerieke simulaties zo'n groot aantal protoplaneten bevatten, rekening houdend met de gravitatie-interactie tussen de protoplaneten en de schijf, en tussen de protoplaneten zelf.
De belangrijkste motivatie voor hun werk is om de banen van protoplaneten te onderzoeken en of sommige planeten gedurende langere tijd in de schijf kunnen overleven. Uit hun simulaties blijkt dat in zeer weinig gevallen (ongeveer 2%) een eenzame protoplaneet ver van de centrale ster wordt uitgestoten, waardoor de levensduur wordt verlengd. Maar in de meeste gevallen (98%) zitten veel van de protoplaneten gevangen in een reeks orbitale resonanties en migreren ze naar binnen in een lockstep, soms zelfs opgaand in de centrale ster.
Cresswell en Nelson beweren dus dat gravitatie-interacties binnen een zwerm protoplaneten ingebed in een schijf de binnenwaartse migratie van de protoplaneten niet kunnen stoppen. Het 'probleem' van migratie blijft bestaan en vereist meer onderzoek, hoewel de astronomen verschillende mogelijke oplossingen voorstellen. Het kan zijn dat er meerdere generaties planeten worden gevormd en dat alleen degenen die zich vormen als de schijf verdwijnt het vormingsproces overleven. Dit kan het moeilijker maken om gasreuzen te vormen, aangezien de schijf leeg is van het materiaal waaruit gasreuzenplaneten ontstaan. (Gasreuzen kunnen echter nog steeds mogelijk zijn als er voldoende gas buiten de banen van de planeten ligt, aangezien nieuw materiaal naar binnen kan vegen om door de vormplaneet te worden geaccreteerd). Een andere oplossing kan verband houden met de fysieke eigenschappen van de protoplanetaire schijf. In hun simulaties gingen de astronomen ervan uit dat de protoplanetaire schijf glad en niet-turbulent is, maar dat is natuurlijk niet het geval. Grote delen van de schijf kunnen turbulenter zijn (als gevolg van instabiliteit veroorzaakt door magnetische velden), waardoor migratie naar binnen over een lange periode kan worden voorkomen.
Dit werk sluit aan bij andere studies over de vorming van planetenstelsels die momenteel worden uitgevoerd door een Europees netwerk van wetenschappers. Onze kijk op hoe planeten zich vormen is de afgelopen jaren drastisch veranderd naarmate het aantal nieuw ontdekte planetaire systemen is toegenomen. Het begrijpen van de vorming van gigantische planeten is momenteel een van de grootste uitdagingen voor astronomen.
Oorspronkelijke bron: astronomie en astrofysica
