De eerste detectie van een interstellair asteroïde/komeetachtig object dat het zonnestelsel twee jaar geleden bezocht, heeft geleid tot ideeën over de mogelijkheid van interstellair reizen. Nieuw onderzoek van het Technion-Israel Institute of Technology suggereert dat dergelijke objecten ook verstrekkende implicaties hebben voor de oorsprong van planeten in de melkweg, en mogelijk zelfs de eerste vorming van het zonnestelsel zelf.

Het asteroïde/komeetachtige object genaamd 'Oumuamua bevestigde decennia-oude wetenschappelijke verwachtingen die suggereerden dat het interstellaire medium vol losse brokken rots rondvliegt. Men dacht dat dergelijk puin uit planetaire systemen werd uitgestoten in de nasleep van planeetvorming, toen grote planeten zich vormden en enkele van de overgebleven kleine planeten en planetesimalen die nog steeds rondslingerden, eruit schopten. Van tijd tot tijd, een deel van deze uitgeworpen rotsen kan nog steeds vreemde sterren tegenkomen. In gelukkige gevallen, dit fenomeen kan worden waargenomen terwijl het door het zonnestelsel raast.

De Technion-onderzoekers, Evgeni Grisjin, Hagai Perets en Yael Avni vroegen zich af wat er zou zijn gebeurd als deze 'Oumuamua-achtige interstellaire rotsen ongeveer 4,5 miljard jaar geleden zouden vliegen, toen onze ster jong en wild was, en er was een gasschijf aanwezig in plaats van ons planetenstelsel. Hun bevindingen kunnen van cruciaal belang zijn voor het beantwoorden van enkele van de grootste puzzels met betrekking tot planeetvorming en de oorsprong van planeten in het zonnestelsel

Planeten vormen met vreemde (planetesimale) valuta

Planeten worden gevormd in protoplanetaire schijven, meestal gemaakt van gas en stof. Men denkt dat de stofkorrels uitgroeien tot kiezelstenen, samenklonteren tot grotere planetesimalen, en tenslotte, planeten vormen. Zodra de objecten km-grootte bereiken, ze kunnen overleven en uiteindelijk samenklonteren en kleinere stenen/kiezelstenen samenvoegen om planetaire embryo's en volwaardige planeten te vormen. Het belangrijkste obstakel voor een dergelijke groei lijkt zich voor te doen voordat objecten van km-grootte zich vormen, in het stadium waarin zich aanvankelijk kleinere rotsen en kiezelstenen vormen. Inderdaad, verschillende boosdoeners spannen samen om kiezelstenen en metersgrote keien te vernietigen voordat ze ooit kunnen uitgroeien tot grotere planetesimalen. Dergelijke kiezels en rotsen bewegen door de gasvormige schijf waarin ze aanvankelijk zijn ingebed, en ervaar een tegenwind die hen vertraagt.

De voortdurende tegenwind zou er uiteindelijk toe kunnen leiden dat ze snel naar binnen in de zon draaien en vernietigd worden. In aanvulling, botsingen tussen kleine kiezelstenen kunnen leiden tot hun fragmentatie in kleinere stukjes, waardoor hun groei tot grotere planetesimalen wordt stopgezet. Met andere woorden, kiezelstenen en kleine rotsen stuiten op een zogenaamde "meter-size barrière" in hun vermogen om uit te groeien tot nog grotere planetesimalen.

Er werden verschillende modellen voorgesteld om de barrière van de meter te overwinnen, maar deze vereisen doorgaans nauwkeurig afgestemde omstandigheden die in de meeste planetaire systemen waarschijnlijk niet voorkomen; hoe dan ook, het is algemeen bekend dat de meeste, zo niet alle sterren planetaire systemen herbergen. De vraag is dan hoe dit zo is gekomen.

In hun onlangs gepubliceerde artikel in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society , Grishin en medewerkers toonden aan dat interstellaire objecten de sleutel zijn. Ze suggereerden dat de meeste systemen niet door de moeilijke fase van het vormen van km-achtige planetesimalen hoeven te gaan. In plaats daarvan, de meeste systemen kunnen interstellaire planetesimalen van km-formaat vangen die oorspronkelijk uit andere planetaire systemen werden uitgestoten. Maar hoe kan een object dat met een snelheid van tientallen km per seconde door een zonnestelsel beweegt worden vastgelegd? Het blijkt dat het antwoord simpel is:dezelfde tegenwind die kleine rotsen ertoe aanzet om hun zon in te inspireren, kan groter vertragen, km-grote interstellaire planetesimalen en vangen ze daardoor op in een nieuw gevormde protoplanetaire schijf.

Op deze manier, zelfs een enkel planetair systeem kan km-grote planetesimalen uitwerpen die vervolgens dienen als zaden voor de vorming van veel nieuwe planetaire systemen. Als resultaat, zelfs een zeer klein aantal planetaire systemen kan de vorming van vele andere systemen zaaien - het enige dat nodig is, zijn slechts een paar zeldzame zeldzame gevallen om het proces te beginnen, en dan kunnen deze systemen planetesimale "zaden" door de melkweg voortbrengen, die op hun beurt kunnen worden gevangen in nieuw gevormde protoplanetaire schijven en hen de basisbouwstenen van km-formaat bieden die nodig zijn voor planetaire groei.

Planeetvorming vindt niet langer geïsoleerd plaats; geen enkel planetenstelsel is een eiland, maar veeleer dient het reservoir van uitgestoten schurkenstaten interstellaire planetesimalen om voortdurend de geboorte van nieuwe planetaire systemen in gang te zetten. Beurtelings, elk nieuw gevormd planetenstelsel werpt zijn eigen bedrieglijke planetesimalen uit en helpt bij de wederopbouw van het reservoir van interstellaire planetesimalen. De vraag wordt:wat zijn de kansen om deze planetesimalen te vangen, en hoeveel succesvolle formaties zijn er nodig om de hele geboortecluster met planetesimalen te bevolken?

Natuur versus Nurture:waar je woont is belangrijk

Om de kans op planetesimal seeding en de implicaties ervan voor planeetvorming in te schatten, de onderzoekers ontwikkelden een wiskundig en numeriek model voor de vangstwaarschijnlijkheid, afhankelijk van de eigenschappen van de interstellaire planetesimale populatie en de schijf. Ze ontdekten dat het vangen van kleine steentjes uiterst efficiënt is, en dat het vastleggen van grotere lichamen een grotere uitdaging is, maar toch redelijk.

In de dichte gebieden van stellaire clusters waar tientallen, honderden, of zelfs duizenden sterren worden geboren en leven in kleine regio's (het "Manhattan" van stervorming), ongeveer 10^6 van 'Oumuamua's worden gevangen in het geboortecluster, en het grootste gevangen lichaam kan wel ~10 km groot zijn.

Op het platteland van de melkweg, de galactische veldomgeving, vastleggen is een grotere uitdaging, maar nog steeds ongeveer ~10^3 'Oumuamua's kunnen worden gevangen, en lichamen tot ongeveer 1 km worden per systeem gevangen - genoeg om te dienen als het zaad voor planeetvorming in elk systeem.

Een is genoeg, Planetesimalen brengen vreugde en leven

De onderzoekers vatten samen dat slechts een klein deel van de sterren in een cluster (minder dan 1 procent) nodig is om de oorspronkelijke planetesimalen te vormen, die uiteindelijk de hele geboortecluster van ~1000 sterren zaaien. Ook voor veldomgevingen worden ongeveer vergelijkbare aantallen verwacht. Beide schattingen zijn conservatief. Het interstellaire reservoir werkt daarom samen met de belangrijkste planeetvormingsmodellen, het verstrekken van de eerste zaden voor veel van de planetesimale vormingsmodellen.

Een ander interessant nevenaspect is dat biologisch actief materiaal, in de vorm van bacteriën, kan de taaie interstellaire omgeving overleven als het gesteente waarin het is ingebed groot genoeg is (groter dan een paar cm schaal). Hoewel slechts een minieme fractie van uitgeworpen stenen deze harde bacteriën kan herbergen, een groot aantal van dergelijke potentieel biologisch actieve rotsen kan worden gevangen. Deze gasgeassisteerde vangst is een veel efficiënter mechanisme voor wijdverbreide panspermie, en de meeste systemen hebben waarschijnlijk hun eerste levensbouwstenen ergens anders vandaan gehaald.