20 meest fantastische maan-missies

Planeten komen vaker voor in stersystemen met relatief hoge concentraties elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium, suggereert een nieuwe studie.

Dergelijke zwaardere elementen zijn nodig om de stofkorrels en planeetsimalen te vormen die planetaire kernen bouwen, volgens de studie, die werd uitgevoerd door onderzoekers Jarrett Johnson en Hui Li van Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Bovendien suggereert het bewijs dat de schijven van stof die jonge sterren omringen niet zo lang overleven als de sterren lagere concentraties zware elementen hebben, of lagere "metaalachtigheden" in het jargon van astronomen. De meest waarschijnlijke reden voor deze kortere levensduur is dat het licht van de ster wolken van stof doet verdampen.

Het tijdperk van de planeet

Onze kosmische geschiedenis heeft verschillende definiërende tijdperken, waarvan er één het punt is waarop sterrenstelsels planeten begonnen te vormen. Zware elementen zoals koolstof, silicium en zuurstof moesten eerst worden gemaakt van enorme sterexplosies, supernova's en de sterrendraden van de eerste generaties sterren voordat de eerste planeten zich konden vormen. [Supernova-foto's: geweldige beelden van sterrenexplosies]

"Onze berekening is een schatting van de minimale hoeveelheid zware elementen die aanwezig moeten zijn in circumstellaire schijven voordat zich planeten kunnen vormen," zei Johnson. "Omdat deze zware elementen moeten worden geproduceerd door de eerste sterren in het universum, konden de eerste planeten pas rond latere generaties sterren worden gevormd."

Begrijpen hoe de eerste planeten vormden biedt cruciale informatie over het vroege universum. Bovendien heeft een beter begrip van de vroege planetaire vorming invloed op vele facetten van de astronomie, inclusief de zoektocht naar het leven elders, zeggen onderzoekers.

Volgens Johnson en Li zou een succesvolle theorie van planeetvorming voorspellingen moeten doen over de eigenschappen van de vroegste planeten en hun gastheersterren. Een dergelijke theorie zou kunnen worden getest door heel oude planetaire systemen in onze melkweg te bestuderen. Er wordt gedacht dat de verrijking van gas met metalen uit supernova's niet alleen de vorming van planeten beïnvloedt, maar ook de vorming van sterren met een lage massa zoals onze zon.

"Een planeet zo massief en dicht als de aarde alleen kon vormen zodra sterren en supernova's het gas hadden verrijkt met een overvloed aan zware elementen die ten minste 10 procent in de zon ligt", zei Johnson. "Dit suggereert dat vele generaties sterren zich moesten vormen en evolueren voordat bewoonbare planeten zouden kunnen ontstaan."

Een belangrijke overweging voor planetaire vorming is de verspreidingssnelheid van de circumstellaire schijf van gas en stof rond een gastheerster. Twee van de meer prominente mechanismen voor het verspreiden van een planetaire schijf zijn de vorming van gigantische planeten en fotoverdamping door de gastheerster.

Fotoverdamping lijkt het meer dominante proces te zijn. Waarnemingen tonen aan dat schijven met een laag metaalgehalte een kortere levensduur hebben, wat wordt versterkt door gegevens die tonen dat schijven met een hogere metaalkwaliteit beter "afgeschermd" zijn tegen verdamping door de straling van een gastrol.

Johnson en Li beweren verder dat schijven met een hogere metaalachtigheid de neiging hebben om een ​​groter aantal gigantische grote planeten te vormen.

De levensduur van stof

Om schattingen te verkrijgen van de kritische metalliciteit die nodig is voor de vorming van de planeet, vergeleken Johnson en Li de levensduur van de schijf en de tijd die nodig was om stofdeeltjes in de schijf te laten bezinken. Kortom, voor een sterrensysteem om planeten te vormen, kan de tijd die nodig is om stofkorrels af te zetten de levensduur van de schijf niet overschrijden.

Omdat de bezinktijd voor stofkorrels afhankelijk is van de dichtheid en temperatuur van de schijf, die gerelateerd zijn aan de afstand tot de ster van de gastheer, is de kritische metaalachtigheid ook een functie van de afstand tot de ster van de gastheer.

"Onze berekening is echt vrij eenvoudig in vergelijking met vele anderen, omdat we ons alleen hebben gericht op wat volgens ons de belangrijkste processen zijn die de tijdschaal bepalen die nodig is voor planetesimale vorming bij lage metalliciteit," zei Johnson. "Dit zijn de groei van stofkorrels in planetesimalen en de vernietiging van de schijf door de hoogenergetische straling van de gastheerster. Hoewel de berekening eenvoudig is, laat het zien dat de huidige modellen van planeetvorming in principe kunnen verklaren hoe de laagste metality planets vorm. "

Het team merkt een aantal veronderstellingen op die zijn gemaakt in hun vergelijkingen met de gegevens. De eerste veronderstelling is dat de oppervlakte-metalliciteit van de gastheerster dezelfde is als die van de protostellaire schijf waaruit hij en zijn planeten zijn gevormd. Ten tweede neemt het team circulaire planetaire banen aan. Wanneer banen zeer excentriek zijn, is het moeilijker om de gegevens te vergelijken met de theoretische voorspellingen. Ten slotte veronderstelt het team dat planeten niet vanaf hun oorspronkelijke geboorteplaats op de schijf naar binnen zijn gemigreerd naar hun ster.

Johnson en Li ontdekten dat de vorming van planetesimalen alleen kan plaatsvinden wanneer een minimale metaalachtigheid wordt bereikt in een protostellaire schijf. Omdat de vroegste sterren die zich in het universum vormden (populatie III-sterren) niet de vereiste metalliciteit hebben om planeten te hosten, wordt aangenomen dat de supernova-explosies van zulke sterren hielp om latere (populatie II) sterren te verrijken, waarvan sommige nog steeds in bestaan ​​en konden planeten hosten.

De vroegste planeten

Op basis van hun vergelijkingen constateert het team dat sommige van de vroegste planeten zich op een afstand van 0,03 astronomische eenheden van hun moederster hebben gevormd. Eén astronomische eenheid, of AU, is de afstand van de aarde tot de zon, of ongeveer 93 miljoen mijl (150 miljoen kilometer). Ter vergelijking: de binnenste planeet van ons zonnestelsel, Mercurius, draait om iets minder dan 0,4 AE.

Gezien de hoge temperaturen waarschijnlijk op 0,03 AU (geschat op ongeveer 2370 graden Fahrenheit of 1300 graden Celsius), waren de eerste planeten waarschijnlijk te heet om het leven te hosten zoals we dat nu kennen. [De vreemdste buitenaardse planeten]

"Interessant is dat onze resultaten ook suggereren dat de eerste aardachtige planeten mogelijk zijn gevormd in de bewoonbare zones van sterren die iets massiever zijn dan de zon," zei Johnson. "Omdat massieve sterren sneller uitbranden, is het mogelijk dat elk leven dat op deze planeten is geëvolueerd mogelijk al is vergaan met de dood van zijn gastheerster, die mogelijk slechts 4 miljard jaar heeft geleefd in vergelijking met de verwachte 10 miljard jaar levensduur voor de planeten. zon."

Johnson en Li merken ook op dat de vorming van aardachtige planeten op zichzelf geen voldoende voorwaarde is om het leven in stand te houden, door te stellen dat vroege sterrenstelsels talrijke supernova's en zwarte gaten bevatten - beide sterke stralingsbronnen die het leven zouden bedreigen. Gezien de vijandige omstandigheden in het vroege universum, wordt verwacht dat condities die geschikt zijn voor het leven alleen aanwezig waren na de vroege vorming van sterrenstelsels.

"Echter, met de rijkdom aan nieuwe exoplaneten die worden ontdekt en gekarakteriseerd, kan onze theorie van de minimale metaalachtig heid voor planeetvorming nog worden aangevochten," zei Johnson. "Het zal spannend zijn om te zien hoe [ons model] stand houdt."

Het onderzoek van Johnson en Li staat gepland in het Astrophysical Journal.