Planet Puzzle: Theoretici worstelen met hoe ze zijn gebouwd

Een nieuwe wending in een langlopend debat zou een antwoord kunnen zijn op de fundamentele vraag in de planeetvormingswereld: hoe maak je gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus.

"De huidige focus ligt op hoe de grote jongens zich vormen," zei Richard Durisen van Indiana University. "Hun vorming bepaalt de langetermijnarchitectuur van het planetaire systeem."

Gasreuzen ontwikkelen zich door grote hoeveelheden van het materiaal op te slurpen in schijven die rond pasgeboren sterren draaien. Er zijn twee concurrerende theorieën over hoe ze dit doen. De ene omvat een snelle instorting van gas rond een dicht gebied, een zwaartekrachtinstabiliteit genoemd. De andere volgt een langzamer pad met de opbouw van een vaste kern die later gas om zich heen aantrekt.

Durisen pleit voor een middenweg - een beetje zwaartekrachtinstabiliteit vermengd met een beetje kernaanwas.

"Er zijn twee kampen in de formatie van de planeet, Dick [Durisen] probeert een derde kamp te vormen," zei Alan Boss van de Carnegie Institution of Washington. Baas is een leidende figuur in het zwaartekrachtinstabiliteitskamp.

Durisen en zijn collega's hebben computersimulaties van planetaire schijven uitgevoerd, waarbij instabiliteiten in de gasstructuur spiraalarmen doen ontstaan. Deze armen gaan uiteindelijk zitten in dichte, ogenschijnlijk stabiele ringen.

Hoewel de simulaties niet verfijnd genoeg zijn om virtuele planeten te vormen, speculeert het team van Durisen dat de ringen een toevluchtsoord bieden voor vaste stoffen om zich op te hopen en uit te groeien tot 'grote kernen'.

Het idee zou testbaar kunnen zijn: de spiraalvormige armen die de ringen vormen, hebben mogelijk een verslag van hun bestaan ​​achtergelaten in kleine, glazige bollen die te vinden zijn in miljard jaar oude meteorieten.

De schildpad

In het verleden was er één algemene theorie voor hoe Jupiter en de andere planeten werden gevormd.

"Kernaanwas is wat men het standaardmodel van planeetvorming gedurende twee of drie decennia zou kunnen noemen," vertelde Durisen. "Maar mensen kunnen nu aarzelen om de term 'standaard' te gebruiken. '

Voor kernaangroei zijn stukjes stevig spul nodig om samen te smashen om steeds grotere brokken te vormen. Er is weinig twijfel over dat dit is hoe de aarde en de andere terrestrische planeten zijn ontstaan, de meeste onderzoekers zijn het erover eens. Zoals Boss het stelt: "We willen de aarde nog steeds op de ouderwetse manier maken - één steen per keer."

Maar het bouwen van gasreuzen uit kernen is de afgelopen jaren in twijfel getrokken. Een probleem is dat gegevens van het ruimteschip Galileo lijken te impliceren dat de vaste kern van Jupiter minder dan drie massa's aarde bevat. Accretiemodellen vereisen een kern van ten minste 10 aardmassa's, zei Boss.

Een ander probleem is dat kernaanwas een miljoen jaar nodig heeft om een ​​gasreus te maken, terwijl gasdisks rond sterren zoals de zon - die de gigantische gasgroei voeden - meestal niet zo lang meegaan.

"Er zijn schijven die 10 miljoen jaar lijken te duren, maar het gemiddelde is minder," zei Durisen. "Mensen die werken aan kernaangroei hebben geprobeerd het te versnellen, maar het duurt nog steeds miljoenen jaren."

Als gasreuzen zeldzaam waren, zou je kunnen zeggen dat ze zich alleen in de langstlevende schijven vormen. Maar het huidige aantal extra-solaire planeten - sommige zo massaal als 10 Jupiters - ligt rond de 140. Volgens Boss heeft waarschijnlijk tussen de 25 en 40 procent van de sterren gasreuzen om zich heen.

De haas

Zwaartekrachtsinstabiliteit kan vermoedelijk in een kwestie van 100 tot 1000 jaar planeten maken, of op zijn minst de losse fuzzballs die in planeten zullen condenseren - door dichte gebieden, of klonten, van gasvorm binnen een planetaire schijf te hebben. Maar ondanks tekenen van klonten in computersimulaties, heeft niemand ooit bewezen dat ze echt evolueerden naar planeten.

"Het is niet duidelijk dat schijfinstabiliteit werkt," zei Jack Lissauer van NASA Ames Research Center. "De tijdschalen die worden gegeven, zijn slechts kenmerkende tijden. Niemand heeft ooit aangetoond dat de modellen werken."

Boss ziet in zijn simulaties potentiële planeetklonten die duizenden jaren intact blijven. Maar hij gaf toe: "We moeten ze waarschijnlijk 100.000 jaar volgen om er zeker van te zijn dat ze zullen overleven."

Een recente analyse van dit soort modellen heeft aangetoond dat instabiliteit in een schijf geen probleem is, maar het is moeilijk om voldoende instabiliteit te krijgen.

"Een erg onstabiele schijf zal planeten vormen, maar om dat onstabiel te maken, moet je de schijf heel snel koelen," zei Lissauer.

De simulaties van Durisen en het bedrijf - in tegenstelling tot die van Boss - laten zien dat de koeling te langzaam is. Snelle koeling, volgens Lissauer, kan een schijf vereisen die onredelijk zwaar is.

De middelste weg

Toch gaf het feit dat de schijf onstabiel was of niet-uniform, de groep van Durisen een idee.

"Planeetvorming heeft in dit soort dilemma gestaan," zei hij. "Maar we waren ons bewust geweest van deze ringen, dus we dachten dat dit misschien de weg naar buiten was."

De ringen, gevormd uit spiraalvormige armen die binnen in de gesimuleerde stellaire puinschijven roteren, kunnen misschien een boost geven aan kernaanwas, omdat vaste deeltjes in het midden van een ring worden gezogen.

Om dit te begrijpen, stel je een deeltje voor buiten een gegeven ring. Het zal een tegenwind voelen van het gas dat is verbonden met de ring. Deze tegenwind zorgt ervoor dat het deeltje zijn impulsmoment verliest en dichter in de ster valt - en in de richting van het midden van de ring.

Binnen in de ring gebeurt het tegenovergestelde: een deeltje voelt een rugwind die het wegtrekt van de ster en in het midden van de ring. Deze vacuümactie verzamelt meer spullen op één plek voor kernaanwas.

Zoals beschreven in het februarinummer van Icarus, De groep van Durisen ontdekte dat de gasringen na verloop van tijd op hun plaats blijven. Maar ze hebben nog geen vaste deeltjes opgenomen in hun simulaties om te zien hoe dit de kernaanwas beïnvloedt.

Zowel Boss als Lissauer denken dat de combinatie van zwaartekrachtinstabiliteiten en kernaangroei sommige problemen oplost, zoals hoe je brokstukken van grote afmetingen aan elkaar plakt, maar ze zijn er niet van overtuigd dat het planeten sneller zal maken.

"Dit lost het grotere probleem van het maken van een planeet met een kleinere kern niet op - een die in overeenstemming is met de beperkingen van de kernen van Jupiter en Saturnus," zei Lissauer.

Getuigen van een planetaire geboorte

Dus het debat gaat maar door. Eén ding kan echter zeker zijn: instabiliteit verwoestte het vroege zonnestelsel en liet zijn sporen achter in oude meteorieten.

Met het wegnemen van hun verschillen, werkten Durisen en Boss aan een afzonderlijk artikel - dat in het nummer van 10 maart zal worden gepubliceerd Astrophysical Journal Letters - waaruit bleek dat chondrulen - glasachtige bollen die in veel meteorieten worden aangetroffen - werden gesmolten door schokgolven gegenereerd door dichte spiraalvormige armen.

Recent bewijs heeft aangetoond dat sommige chondules 4,6 miljard jaar oud zijn - zo oud als het zonnestelsel zelf.

Hoewel deze primordiale schokgolven kunnen klinken alsof ze ondersteuning bieden voor gravitationele instabiliteitsmodellen, zei Boss dat de spiraalarmen consistent zijn met Jupiter en Saturnus, later vormend door kernaangroei.

Maar met betere meteoriet-dateringen kunnen wetenschappers sommige van de gewelddadige processen die de groei van de aardse planeten beïnvloedden, catalogiseren: Mercurius, Venus, Aarde en Mars.

"Wat ik denk dat [de chondrulen] mogelijk kunnen doen, is ons helpen in kaart te brengen wat er in het binnenste zonnestelsel is gebeurd," zei Boss.

Hoewel de meteorieten voornamelijk afkomstig zijn van de asteroïdengordel (tussen Mars en Jupiter), stookten dezelfde schokken die het materiaal smolten ook het spul dat later 'ons' werd, zei Boss.