Een nieuw model dat aanleiding geeft tot jonge planetaire systemen biedt een nieuwe oplossing voor een puzzel die astronomen heeft gekweld sinds nieuwe detectietechnologieën en planeetjachtmissies zoals NASA's Kepler-ruimtetelescoop duizenden planeten hebben onthuld die om andere sterren draaien:terwijl de meerderheid van deze exoplaneten vallen in een categorie die superaarde wordt genoemd - lichamen met een massa ergens tussen de aarde en Neptunus - waarvan werd gedacht dat de meeste kenmerken die werden waargenomen in opkomende planetenstelsels veel zwaardere planeten nodig hadden, rivaliserende of dwergachtige Jupiter, de gasreus in ons zonnestelsel.

Met andere woorden, de waargenomen kenmerken van veel planetaire systemen in hun vroege stadia van formatie leken niet overeen te komen met het type exoplaneten dat het grootste deel van de planetaire populatie in onze melkweg vormt.

"We stellen een scenario voor dat voorheen onmogelijk werd geacht:hoe een superaarde meerdere gaten in schijven kan uitsnijden, " zegt Ruobing Dong, de postdoctorale fellow van Bart J. Bok aan het Steward Observatory van de Universiteit van Arizona en hoofdauteur van de studie, binnenkort te verschijnen in de Astrofysisch tijdschrift . "Voor de eerste keer, we kunnen de mysterieuze schijfkenmerken die we waarnemen en de populatie van planeten die het meest in onze melkweg worden aangetroffen met elkaar verzoenen."

Hoe planeten precies ontstaan, is nog een open vraag met een aantal onopgeloste problemen, volgens Dong.

"Kepler heeft duizenden planeten gevonden, maar die zijn allemaal heel oud, in een baan rond sterren van een paar miljard jaar oud, zoals onze zon, " legt hij uit. "Je zou kunnen zeggen dat we naar de senioren van onze melkweg kijken, maar we weten niet hoe ze zijn geboren."

Om antwoorden te vinden, astronomen wenden zich tot de plaatsen waar zich momenteel nieuwe planeten vormen:protoplanetaire schijven - in zekere zin, zusjes van ons zonnestelsel.

Dergelijke schijven worden gevormd wanneer een enorme wolk van interstellair gas en stof condenseert onder invloed van de zwaartekracht voordat deze instort tot een wervelende schijf. In het midden van de protoplanetaire schijf schijnt een jonge ster, slechts een paar miljoen jaar oud. Terwijl microscopisch kleine stofdeeltjes samensmelten tot zandkorrels, en zandkorrels kleven aan elkaar om kiezels te vormen, en kiezelstenen stapelen zich op om asteroïden en uiteindelijk planeten te worden, een planetair systeem zoals ons zonnestelsel wordt geboren.

"Deze schijven zijn van zeer korte duur, " legt Dong uit. "Na verloop van tijd verdwijnt het materiaal, maar we weten niet precies hoe dat komt. Wat we wel weten is dat we schijven zien rond sterren die 1 miljoen jaar oud zijn, maar we zien ze niet rond sterren die 10 miljoen jaar oud zijn."

In het meest waarschijnlijke scenario, veel van het materiaal van de schijf komt op de ster terecht, een deel wordt weggeblazen door stellaire straling en de rest gaat naar het vormen van planeten.

Hoewel protoplanetaire schijven relatief dicht bij de aarde zijn waargenomen, het is nog steeds buitengewoon moeilijk om planeten te onderscheiden die zich binnenin kunnen vormen. Liever, onderzoekers hebben vertrouwd op kenmerken zoals gaten en ringen om de aanwezigheid van planeten af ​​te leiden.

"Onder de verklaringen voor deze ringen en gaten, die met planeten zijn zeker het meest opwindend en trekken de meeste aandacht, " zegt co-auteur Shengtai Li, een onderzoekswetenschapper aan het Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico. "Terwijl de planeet rond de ster draait, het argument gaat, het kan een pad vrijmaken langs zijn baan, resulterend in de kloof die we zien."

Behalve dat de werkelijkheid een beetje ingewikkelder is, zoals blijkt uit twee van de meest prominente waarnemingen van protoplanetaire schijven, die zijn gemaakt met ALMA, de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chili. ALMA is een samenstel van radioantennes met een diameter van 7 tot 12 meter, waarvan er 66 na voltooiing zijn genummerd. De beelden van HL Tau en TW Hydra, behaald in 2014 en 2016, respectievelijk, hebben de fijnste details tot nu toe onthuld in een protoplanetaire schijf, en ze vertonen enkele kenmerken die moeilijk zijn, zo niet onmogelijk, uit te leggen met de huidige modellen van planetaire vorming, zegt Dong.

"Onder de gaten in HL Tau en TW Hya die door ALMA zijn onthuld, twee paar zijn extreem smal en heel dicht bij elkaar, " legt hij uit. "In de conventionele theorie, het is moeilijk voor een planeet om zulke gaten in een schijf te openen. Ze kunnen nooit zo smal en zo dicht bij elkaar zijn om redenen van de betrokken fysica."

In het geval van HL Tau en TW Hya, men zou twee planeten moeten aanroepen waarvan de banen elkaar zeer nauw omhelzen - een scenario dat in de loop van de tijd niet stabiel zou zijn en daarom onwaarschijnlijk is.

Terwijl eerdere modellen grote, enkele gaten waarvan wordt aangenomen dat ze indicatief zijn voor planeten die puin en stof op hun pad opruimen, ze hielden geen rekening met de meer ingewikkelde kenmerken die de ALMA-waarnemingen aan het licht brachten.

Het model dat door Dong en zijn co-auteurs is gemaakt, resulteert in wat het team synthetische waarnemingen noemt:simulaties die er precies zo uitzien als wat ALMA aan de hemel zou zien. Dong's team heeft dit bereikt door de parameters aan te passen die in de simulatie van de evoluerende protoplanetaire schijf gaan, zoals het aannemen van een lage viscositeit en het toevoegen van stof aan het mengsel. De meeste eerdere simulaties waren gebaseerd op een hogere schijfviscositeit en hielden alleen rekening met de gasvormige component van de schijf.

"De viscositeit in protoplanetaire schijven kan worden aangedreven door turbulentie en andere fysieke effecten, " zegt Li. "Het is een ietwat mysterieuze hoeveelheid - we weten dat het er is, maar we weten niet waar het vandaan komt of hoe groot de waarde is, dus we denken dat onze veronderstellingen redelijk zijn, gezien het feit dat ze resulteren in het patroon dat daadwerkelijk aan de hemel is waargenomen."

Nog belangrijker, de synthetische waarnemingen kwamen voort uit de simulaties zonder de noodzaak om gasreuzen ter grootte van Jupiter of groter op te roepen.

"Eén superaarde bleek voldoende te zijn om de meerdere ringen en meerdere, nauwe gaten die we zien in de feitelijke waarnemingen, ' zegt Dong.

Naarmate toekomstig onderzoek meer van de innerlijke werking van protoplanetaire schijven blootlegt, Dong en zijn team zullen hun simulaties verfijnen met nieuwe gegevens. Voor nu, hun synthetische observaties bieden een intrigerend scenario dat een ontbrekende schakel vormt tussen de kenmerken die zijn waargenomen bij veel planetaire baby's en hun volwassen tegenhangers.

De studie, "Meerdere schijfgaten en ringen gegenereerd door een enkele superaarde, " door Ruobing Dong, Shentai Li, Eugene Chiang en Hui Li, verschijnt op 13 juli in de Astrofysisch tijdschrift .