Jonge reuzenplaneten worden geboren uit gas en stof. Onderzoekers van de ETH Zürich en de universiteiten van Zürich en Bern simuleerden verschillende scenario's op basis van de rekenkracht van het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) om erachter te komen hoe ze zich precies vormen en evolueren. Ze vergeleken hun resultaten met waarnemingen en konden onder meer een groot verschil aantonen tussen de gepostuleerde vormingsmechanismen.

Astronomen hebben twee theorieën opgesteld die uitleggen hoe gasvormige reuzenplaneten zoals Jupiter of Saturnus konden worden geboren. Een bottom-up vormingsmechanisme stelt dat eerst, een vaste kern wordt geaggregeerd van ongeveer tien keer de grootte van de aarde. "Vervolgens, deze kern is massief genoeg om een ​​aanzienlijke hoeveelheid gas aan te trekken en vast te houden, " legt Judit Szulágyi uit, postdoctoraal onderzoeker aan de ETH Zürich en lid van de Zwitserse NCCR PlanetS. De tweede theorie is een top-down formatiescenario:hier is de gasschijf rond de jonge ster zo massief, dat als gevolg van de eigen zwaartekracht van het gasstof, spiraalarmen vormen zich met klonten erin. Vervolgens, deze klonten storten via hun eigen zwaartekracht rechtstreeks in een gasplaneet in, vergelijkbaar met hoe sterren worden gevormd. Het eerste mechanisme heet "core-accretie, " de tweede "schijfinstabiliteit." In beide gevallen, een schijf vormt zich rond de gasreuzen, genaamd de circumplanetaire schijf, die zal dienen als een geboortenest voor de vorming van satellieten.

Om erachter te komen welk mechanisme er werkelijk in het heelal plaatsvindt, Judit Szulágyi en Lucio Mayer, Professor aan de Universiteit van Zürich, simuleerde de scenario's op de Piz Daint-supercomputer in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano. "We hebben onze simulaties tot het uiterste gedreven in termen van de complexiteit van de fysica die aan de modellen is toegevoegd, " legt Judit Szulágyi uit:"En we bereikten een hogere resolutie dan wie dan ook."

In hun studies gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , vonden de onderzoekers een groot verschil tussen de twee vormingsmechanismen:in het scenario van schijfinstabiliteit, het gas in de omgeving van de planeet bleef erg koud, ongeveer 50 Kelvin, terwijl in het geval van kernaanwas de circumplanetaire schijf werd verwarmd tot enkele honderden Kelvins. "De simulaties van schijfinstabiliteit zijn de eerste die de circumplanetaire schijf rond meerdere protoplaneten kunnen oplossen, met behulp van tientallen miljoenen resolutie-elementen in het computationele domein. We hebben Piz Daint gebruikt om de berekeningen te versnellen met behulp van grafische verwerkingseenheden (GPU's), ", voegt Mayer eraan toe.

Dit enorme temperatuurverschil is gemakkelijk waarneembaar. "Als astronomen nieuwe planetaire systemen onderzoeken, alleen het meten van de temperaturen in de buurt van de planeet is voldoende om te bepalen welk formatiemechanisme de gegeven planeet heeft gebouwd, " legt Judit Szulágyi uit. Een eerste vergelijking van de berekende en waargenomen gegevens lijkt de kernaanwastheorie te bevoordelen. Een ander verwacht verschil kwam niet naar voren in de computersimulatie. Voorheen, astrofysica dacht dat de circumplanetaire schijf aanzienlijk in massa verschilt in de twee vormingsscenario's. "We hebben laten zien dat dit niet waar is, ", zegt het PlanetS-lid.

Lichtgevende schok voorzijde gedetecteerd

Wat betreft de grootte van de pasgeboren planeet, waarnemingen kunnen misleidend zijn, aangezien de astrofysicus die in een tweede onderzoek samen met Christoph Mordasini werd gevonden, Professor aan de Universiteit van Bern. In het kernaanwasmodel bekeken de onderzoekers de schijf rond planeten met een massa die drie tot tien keer groter is dan die van Jupiter. De computersimulaties toonden aan dat gas dat van buitenaf op de schijf valt, opwarmt en een zeer lichtgevend schokfront op de bovenste laag van de schijf veroorzaakt. Dit verandert het waarnemingsvermogen van jonge, planeten vormen.

"Als we een lichtgevende plek in een cirkelvormige schijf zien, we kunnen er niet zeker van zijn of we de helderheid van de planeet zien, of ook de helderheid van de omringende schijf, ", zegt Judit Szulágyi. Dit kan leiden tot een overschatting van de massa van de planeet tot vier keer. "Dus misschien heeft een waargenomen planeet slechts dezelfde massa als Saturnus in plaats van enkele Jupiter-massa's, ’ concludeert de wetenschapper.

In hun simulaties de astrofysici bootsten de vormingsprocessen na met behulp van de fundamentele natuurwetten zoals zwaartekracht of de hydrodynamische vergelijkingen van het gas. Vanwege de complexiteit van de fysieke modellen, de simulaties waren erg tijdrovend, zelfs op Europa's snelste supercomputer bij CSCS:"In de orde van negen maanden looptijd op honderden tot enkele duizenden rekenkernen", schat Judit Szulágyi:"Dit betekent dat het op één rekenkern langer zou hebben geduurd dan mijn hele leven."

Toch liggen er nog uitdagingen in het verschiet. Simulaties van schijfinstabiliteit dekken nog steeds geen lange tijdschaal. Het is mogelijk dat nadat de protoplaneet is ingestort tot de dichtheid van Jupiter, zijn schijf meer zal opwarmen zoals bij kernaanwas. Hetzelfde, het hetere gas gevonden in het geval van kernaanwas zou gedeeltelijk geïoniseerd zijn, een gunstige omgeving voor effecten van magnetische velden, tot nu toe volledig verwaarloosd. Het uitvoeren van nog duurdere simulaties met een uitgebreidere beschrijving van de fysica zal de volgende stap zijn.