In theoretisch onderzoek dat alles zou kunnen verklaren, van planeetvorming tot uitstroom van sterren, om zelfs de bezinking van vulkanische as, Caltech-onderzoekers hebben een nieuw mechanisme ontdekt om te verklaren hoe de beweging van stof door gas leidt tot stofklonten. Hoewel al bekend was dat stofklonters een rol spelen bij het zaaien van nieuwe planeten en vele andere systemen in de ruimte en op aarde, hoe de klonten zich vormden, was tot nu toe onbekend.

Phil Hopkins, hoogleraar theoretische astrofysica aan Caltech, werken met Jonathan (Jono) Squire, een voormalig postdoctoraal fellow bij Caltech, begon na te denken over verstoringen van stof dat door gas beweegt terwijl hij bestudeerde hoe sterke straling van sterren en sterrenstelsels met stof beladen winden aandrijft. Hopkins zegt dat eerder werd aangenomen dat stof stabiel is in gas, wat betekent dat de stofkorrels mee zouden rijden met gas zonder dat er veel gebeurde, of ze zouden uit het gas bezinken als de deeltjes groot genoeg waren, zoals het geval is met roet van een brand.

"Wat Jono en ik ontdekten, is dat stof en gas die met elkaar proberen te bewegen onstabiel zijn en ervoor zorgen dat stofkorrels samenkomen, "zegt Hopkins. "Al snel begonnen we te beseffen dat deze gas-stofinstabiliteiten overal in het universum spelen dat een kracht stof door gas duwt, of de krachten stellaire winden zijn, zwaartekracht, magnetisme, of een elektrisch veld." De simulaties van het team laten zien dat materiaal samen wervelt, terwijl de stofwolken groter en groter werden.

"We zijn eigenlijk begonnen met het bestuderen van door stof aangedreven winden in de ruimte, maar toen we het probleem bestudeerden, we merkten specifieke kenmerken van de instabiliteiten op waardoor we dachten dat dit een meer algemeen fenomeen was, " zegt schildknaap, die samen met Hopkins vier artikelen heeft geschreven over hun nieuwe bevindingen, één geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal en drie in the Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . "Vanaf hier, het sneeuwde een beetje, omdat we veel verschillende systemen konden bestuderen:sterrenstelsels, sterren, planeetvorming, het gas dichtbij superzware zwarte gaten, supernova's, et cetera - en bevestig onze intuïtie. Het was geen eureka-moment, maar een reeks eureka's die ongeveer een week duurde."

Misschien zijn de meest opvallende implicaties voor de hernieuwde Hopkins-Squire-instabiliteiten voor de studie van ontluikende planeten. Planeten krijgen vorm in stoffige, roterende "protoplanetaire" schijven van gas en stof rond jonge sterren. Op deze schijven het stof vloeit samen om steeds grotere kiezels en keien te vormen, dan bergachtige brokken, en uiteindelijk volgroeide planeten.

Op een bepaald moment tijdens dit proces wanneer de stukken rots groot genoeg zijn - ongeveer 1, 000 kilometer in diameter - de zwaartekracht neemt het over en duwt de bergachtige rotsen tot een ronde planeet. Het grote mysterie ligt in wat er gebeurt voordat de zwaartekracht van kracht wordt - dat wil zeggen, wat veroorzaakt de stofdeeltjes, kiezels, en keien om samen te komen? Onderzoekers dachten ooit dat ze aan elkaar zouden kunnen kleven op dezelfde manier waarop stofkonijntjes zich ophopen onder je bed, maar er zijn problemen met die theorie.

"Als je twee steentjes tegen elkaar gooit, ze plakken niet. Ze stuiteren gewoon op elkaar, ", zegt Hopkins. "Voor maten tussen een millimeter en honderden kilometers, de korrels plakken niet. Dit is een van de grootste problemen bij het modelleren van planeetvorming."

In het Hopkins-Squire instabiliteitsmodel, die voortbouwt op eerdere modellen van stof-gas-interacties, de vorming van planetaire stofklonten zou beginnen met kleine stofkorrels die door het gas bewegen dat in een protoplanetaire schijf draait. Gas zou rond een korrel krullen zoals rivierwater rond een rotsblok; hetzelfde zou gebeuren met een andere stofkorrel in de buurt. Deze twee gasstromen zouden dan kunnen interageren. Als er veel stofkorrels relatief dicht bij elkaar zijn, wat het geval is bij planeetvorming, het netto-effect van de vele resulterende gasstromen zou zijn om het stof samen in klonten te kanaliseren.

"In onze nieuwe theorie, dit plakken door klonteren kan voorkomen bij een veel breder scala aan korrelgroottes dan eerder werd gedacht, waardoor kleinere korrels kunnen deelnemen aan het proces en snel in omvang kunnen groeien, " zegt Squire.

"Het begrijpen van de oorsprong van ons zonnestelsel behoort tot de belangrijkste problemen in de hele natuurwetenschap, en de ontdekking van de instabiliteit van Hopkins-Squire is een belangrijke stap in de richting van dat begrip. Dit is een spannende ontwikkeling, " zegt Caltech's Konstantin Batygin, universitair docent planetaire wetenschap en Van Nuys Page Scholar, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Het onderzoeksteam zegt dat deze instabiliteiten ook belangrijk kunnen zijn in totaal verschillende situaties hier op aarde. Bijvoorbeeld, vulkanische as of regendruppels interageren met onze atmosfeer op precies dezelfde manier als astrofysisch stof interageert met het omringende gas.

"Het is erg interessant om te onderzoeken hoe deze instabiliteiten in al deze verschillende scenario's kunnen werken, " zegt Squire. "We kijken ernaar uit om volledig verschillende instabiliteiten op andere gebieden van de natuurkunde en toegepaste wiskunde te begrijpen - en, Hopelijk, om andere geheel nieuwe en interessante systemen te vinden waar dit gebeurt."