Hoe Jupiter en Saturnus werden geboren uit kiezelstenen

Bij Jove, ze hebben het gedaan! Planetaire wetenschappers hebben een belangrijk probleem overwonnen bij het verklaren van de opkomst van de kolossen van het zonnestelsel Jupiter en Saturnus. Eerdere modellen voorspelden te veel gasreuzen. Maar een nieuwe studie laat zien hoe slechts een paar van dergelijke monsters uit een wervelende protoplanetaire schijf van gas en stof zouden moeten komen.

We kunnen nu beginnen met een vrij eenvoudige schijf, vrij eenvoudige fysica en het buitenste zonnestelsel reproduceren en dat s nooit eerder is gedaan zegt Hal Levison, een planetaire wetenschapper bij Southwest Research Instituut in Boulder, Colorado, die de studie leidde.

Het 4, 56 miljard jaar oude zonnestelsel begon gehaast. Binnen een paar miljoen jaar had de zon het grootste deel van zijn schijf gas en stof al opgegeten. Dus Jupiter en Saturnus die zijn gehuld in enorme omhulsels van gas hadden zich snel moeten vormen, voordat die schijf verdween. Veel theoretici geloven dat de gasreuzen zijn begonnen met rotsachtige kernen met massa's gelijk aan ongeveer 10 aardes, waardoor ze voldoende zwaartekracht hebben om hun gasschelpen op te slokken. Maar het modelleren van de vorming van die kernen uit stukjes stof en het krijgen van het juiste aantal kernen in de juiste banen heeft planetaire wetenschappers al lang uitgedaagd. Nu hebben Levison en collega's een nieuw model ontwikkeld dat de vorming van slechts een paar gasreuzen ter grootte van Jupiter en Saturnus voorspelt, zoals ze vandaag in de natuur rapporteren.

Het model bouwt voort op een theorie, genaamd kiezelaanslag, die de vorming van kernen verklaart. Kleine stofkorrels kunnen groeien als ze botsen en aan elkaar plakken met statische elektriciteit. Maar boven een bepaalde maat over een meter stopt de groei als botsingen de stofbal scheuren in plaats van eraan toe te voegen. Dit meter-schaal probleem werd ongeveer tien jaar geleden overwonnen, toen theoretici zich realiseerden dat kiezels van minder dan een meter constant in de wind van de draaiende gasschijf bewegen. Wanneer ze andere kiezelstenen tegenkomen, klonteren ze samen en profiteren ze van een wake in de wind van gas, zoals stromende vogels. Deze bosjes bereiken snel een grootte waar ze door zwaartekracht aan elkaar worden gebonden. Dat lost de meterbarrière op Je gaat direct van kiezelstenen naar dingen van 100 kilometer, bijna 's nachts, zegt Levison. Deze embryos vloeien dan samen en voegen meer materiaal toe tot ze de grootte van een kern bereiken.

Maar in eenvoudige modellen had kiezelaanslag een eigen probleem: het was te efficiënt. In veel simulaties vormden zich tientallen of zelfs honderden lichamen ter grootte van de aarde. Dus Levison zegt dat hij in eerste instantie de kiezelaanhechtingstheorie kill wilde gaan gebruiken. Maar uiteindelijk bracht hij het verder. Zijn team ontdekte dat door het model zo af te stemmen dat het kiezelvormingsproces iets langer duurt, er meer tijd is voor de grote planetaire embryo's om met elkaar gravitatie samen te werken. Alles behalve de grootste wordt buiten het vlak van het zonnestelsel geschopt, waardoor de weinigen die overblijven resterende kiezelstenen kunnen opruimen en de kernen van gasreuzen kunnen worden.

De modellering van de onderzoekers wordt uitgevoerd voorspeller meestal een tot vier gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus in banen tussen 5 en 15 astronomische eenheden (AU) van de zon. (Een AU is gelijk aan de afstand tussen de zon en de aarde, met Jupiter op 5, 2 AU en Saturn op 9, 6 AU van de zon.) Als een bonus, zegt Levison, creëert het model een paar ijsreuzen planeten zoals Uranus en Neptunus in het juiste bereik van banen. Het voorspelt ook dat er geen grote planeten zouden zijn gevormd in de Kuipergordel, het gebied van kleine ijzige werelden waarin Pluto woont.

Ze hebben een oplossing gevonden voor het probleem van te veel planeten groeien, zegt Anders Johansen, een astrofysicus aan de Universiteit van Lund in Zweden, die heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van de theorie van kiezelaanslag. Het gaat erom de zwaartekracht meer tijd te geven, zodat grote embryo's de kleine kunnen pesten. "

Andere theorieën over planetaire vorming houden echter nog steeds vast aan het leven. Alan Boss, een theoreticus bij het Carnegie Institute of Science in Washington, DC, heeft een idee naar voren gebracht dat zwaartekrachtinstabiliteit wordt genoemd, waarin een bijzonder koele en massieve protoplanetaire schijf rimpelingen kan ontwikkelen die kunnen samenvloeien tot gasreuzen, met of zonder kernen. Boss merkt op dat sommige exoplaneten veel massiever zijn dan Jupiter in verre banen tientallen of honderden AU van hun sterren zitten. Op die afstanden kan het moeilijk zijn om kernen te vormen, omdat men denkt dat de populatie kiezels met afstand afsterft. De zwaartekrachtinstabiliteit verklaart deze planeten misschien beter dan de kernaanwas, zegt Boss. "Ik denk dat er ruimte is voor beide mechanismen, " zegt hij.

Toch denkt Andrew Youdin, een astronoom aan de Universiteit van Arizona, Tucson, dat de reuzen met verre banen de anomalieën kunnen zijn. Hij voorspelt dat met verdere observaties, meer "normale" gasreuzen zullen worden gevonden, zoals een vorige week beschreven die tweemaal de massa van Jupiter heeft en rond 13 AU rond zijn ster draait. Dat zou kernaanwas als de theorie van keuze versterken. "Mensen zouden zeggen dat dit de gangbare hypothese is", zegt hij.

Johansen wordt ook bemoedigd door een recente ontdekking van ALMA, een submillimeterarray van telescopen in Chili, van jonge planeten die duidelijke paden door millimeter-vormige stofkorrels vegen in een protoplanetaire schijf van niet meer dan een miljoen jaar oud. De waarneming laat zien dat kiezels overvloedig blijven op de tijdschalen die Levison voorstelt, zegt Johansen. "Het lijkt erop dat protoplanetaire schijven echt goede kiezelfabrieken zijn", zegt hij.

Levison zegt dat hij zich vervolgens richt op het modelleren van het binnenste zonnestelsel, waarvan wordt gedacht dat de rotsachtige planeten zich veel langzamer hebben gevormd. Dat, in combinatie met de kortere baanperioden van de planeten, maakt de modelleringsinspanning veel moeilijker.