Gedetailleerde simulaties van planetaire vorming onthullen hoe kleine stofkorrels in gigantische planeten veranderen en licht kunnen werpen op waar nieuwe aardachtige werelden te vinden zijn.

Wetenschappers theoretiseren dat planeten worden gevormd uit roterende gasschijven die nieuw gevormde sterren omringen, bekend als protoplanetaire schijven. Objecten ter grootte van kiezelstenen in deze schijven klonteren vervolgens samen om kernen van toekomstige planeten te vormen.

Professor Anders Johansen van de Universiteit van Lund in Zweden, is tot op het niveau van atoomkernen en moleculen gegaan om te proberen uit te vinden hoe kosmische stofdeeltjes aan elkaar kleven in kiezels en dan veranderen in babyplaneten, bekend als planetesimalen.

"Planeetvorming vindt plaats wanneer deze stofdeeltjes botsen, en ze groeien naar grotere en grotere maten, " zei hij. "Deze groei neemt ons dan van micrometer, helemaal tot 10, 000 kilometer of zo."

Een aanwijzing voor hoe dit stof zich tot kiezelstenen vormt, is op aarde te vinden in meteorieten - stukjes asteroïde die overblijfselen zijn van de vorming van het zonnestelsel.

"Er zit een mysterie in, Prof. Johansen zei. "Als je in een asteroïde kijkt, vind je millimetergrote kiezelstenen, wat prima is. Maar het probleem met die kiezelstenen is dat ze niet zijn wat we ervan verwachten. We zouden verwachten dat het pluizige stofaggregaten zijn, een beetje alsof je een zandbak hebt nadat het heeft geregend, en je kunt een stuk uitgedroogd zand oppakken dat erg kwetsbaar is, " hij zei.

In plaats daarvan, de kiezelstenen zijn bolvormig en hard, alsof ze zijn verwarmd en gekoeld - vergelijkbaar met objecten die door de bliksem zijn getroffen.

"Bliksem vindt plaats als onweerswolken hun elektrische lading naar de grond ontladen, " zei prof. Johansen. "Deze ontlading lijkt erg op de schok die je ervaart van de statische elektriciteit wanneer je een trui aantrekt."

Prof. Johansen theoretiseerde dat er tijdens de planeetvorming een mechanisme moet zijn dat positief en negatief geladen deeltjes creëert, en hij en zijn team onderzochten wat dat was.

"Terwijl een onweerswolk een ladingsverschil tussen zijn boven- en onderkant verkrijgt door vallende hageldeeltjes, we ontdekten dat in de protoplanetaire schijf het verval van een radioactief element genaamd Aluminium-26 zeer efficiënt is bij het opladen van stofwolken, " hij zei.

Chemische samenstelling

De vondst maakte deel uit van een project genaamd PLANETESYS, die computersimulaties gebruikt om de fysieke processen te repliceren die plaatsvinden wanneer planeten worden gevormd - helemaal van stof tot een planetair systeem. Het bevat details over de chemische samenstelling van elke kiezelsteen.

Een ding dat prof. Johansen kan onderzoeken door naar deze chemische samenstelling te kijken, is hoe planeten water aangroeien - een essentieel ingrediënt voor leven.

"Een voor de hand liggende vraag is "Hoeveel water krijgt een planeet?" We kunnen beginnen te speculeren of het normaal is om de hoeveelheid water van de aarde te krijgen, als het veel water is of een beetje. Maar misschien kun je ook te veel water krijgen, die misschien goed zijn voor het leven, maar niet goed voor beschavingen, " hij zei.

Dr. Bertram Bitsch van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland, zegt dat meer inzicht in hoe planeten ontstaan, zou helpen om mogelijk bewoonbare planeten elders in het universum te identificeren.

"Als je meer (over) het vormingsproces begrijpt van hoe we een systeem zoals het zonnestelsel kunnen maken, dan kunnen we misschien voorspellingen doen (over) hoe vaak deze systemen zouden bestaan ​​en hoe vaak het zou zijn om aardachtige planeten (in een baan rond) andere sterren te vinden."

"Vervolgens, als we een bepaalde samenstelling van het systeem zien … dat zou ons in staat kunnen stellen te zien dat er bewoonbare planeten in die systemen zouden kunnen zijn."

Recept

Dr. Bitsch denkt dat hij misschien het recept kent voor hoe zonnestelsels eindigen met aardachtige planeten. Met een zorgvuldige vermenging van omstandigheden, van waaruit babyplaneten ontstaan, hun chemische samenstelling en zwaartekrachtinteracties, hij kan proberen de omstandigheden te modelleren om zonnestelsels met bewoonbare planeten te genereren.

Maar om het juiste recept te vinden, moet je achteruit werken na het uitvoeren van vele simulaties met complexe supercomputerkracht, wat hij doet in een project genaamd PAMDORA dat loopt tot 2022.

"Ik wil computersimulaties gebruiken ... waarbij we kijken naar de zwaartekrachtinteracties tussen meerdere lichamen om de stadia te modelleren van planetesimalen tot volledig gevormde planetaire systemen met terrestrische planeten, super aardes, en gasreuzen, " hij zei.

In zijn simulaties Dr. Bitsch bekijkt hoe kiezelstenen in de wervelende schijven zich vormen tot planetaire embryo's ter grootte van een maan, die zich vervolgens ontwikkelen tot volledig gevormde planeten.

Het veranderen van de verschillende mechanismen die aan het werk zijn, kan van invloed zijn op wat voor soort planeten een zonnestelsel kan krijgen.

"Er zijn veel verschillende wegen die kunnen gebeuren, en veel verschillende parameters die de uitkomst van de simulaties kunnen beïnvloeden, "zei hij. "Bijvoorbeeld, hoe groot zijn de kiezels, hoeveel zouden het er zijn, en waar zouden jullie aanvankelijke planetesimalen zich vormen die dan protoplaneten zouden gaan vormen?"

Om te zien welke variabelen er het meest toe doen, hij voert honderden computersimulaties uit die weken achter elkaar duren en tientallen miljoenen jaren kan simuleren om de zeer chaotische ontmoetingen van meerdere objecten te modelleren.

Voor aardachtige planeten, een belangrijke factor is hoe dicht babyplaneten zich bij hun thuisster vormen, aangezien het verschil in temperatuur kan bepalen of planeten water direct tijdens het gasschijfstadium of van een late waterlevering van asteroïden of kometen aanwasten, zoals voor onze eigen aarde.

"Een ding dat al in de code staat, is kijken naar de samenstelling van superaarde. zijn ze rotsachtig of gedomineerd door waterijs?" zei Dr. Bitsch.

Super-aarde, die planeten zijn zoals de aarde, maar misschien twee tot tien keer massiever, bestaan ​​niet in ons zonnestelsel, maar komen relatief vaak voor bij andere sterren.

"Er zijn veel superaardes gevonden en gedetecteerd, en de vraag is waar zijn ze van gemaakt? Dit kan ons het antwoord geven op waar ze zijn gevormd."