Wetenschap
Jonge planeet in een babyproof systeem:de nieuwe resultaten laten zien hoe een grens binnen de schijf rond een jong, Zonachtige ster fungeert als een barrière die voorkomt dat planeten in de ster vallen. Krediet:MPIA Grafische Afdeling
Numerieke simulaties door een groep astronomen, onder leiding van Mario Flock van het Max Planck Instituut voor Astronomie, hebben aangetoond dat jonge planetenstelsels van nature "baby-proof" zijn:fysieke mechanismen zorgen samen om te voorkomen dat jonge planeten in de binnenste regionen een fatale duik in de ster nemen. Vergelijkbare processen maken het ook mogelijk dat planeten dicht bij sterren worden geboren - uit kiezelstenen die vastzitten in een gebied dicht bij de ster. Het onderzoek, die is gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica , verklaart de bevindingen van de Kepler-ruimtetelescopen die laten zien dat een groot aantal superaarde heel dicht om hun ster draait, aan de rand van het babyveilige gebied.
Wanneer een kind is geboren, ouders zorgen ervoor dat ze hun huis babyproof hebben gemaakt, het opzetten van veiligheidsbarrières die het kind weghouden van bijzonder gevaarlijke gebieden. Nieuw onderzoek naar de vorming van planeten laat zien dat iets vergelijkbaars gebeurt in jonge planetenstelsels.
Planeten vormen rond een jonge ster, die is omgeven door een schijf van gas en stof. Binnen deze protoplanetaire schijf, stofkorrels plakken aan elkaar, groter en groter worden. Na een paar miljoen jaar, ze hebben een diameter van enkele kilometers bereikt. Op dat punt, zwaartekracht is sterk genoeg om dergelijke objecten samen te trekken om planeten te vormen, ronde voorwerpen, vast of met een vaste kern, met een diameter van enkele duizenden kilometers of meer.
Een merkwaardige drukte aan de binnengrens
Net als peuters, vaste objecten in zo'n jong planetenstelsel hebben de neiging om in alle richtingen te bewegen - niet alleen in een baan rond de ster, maar naar binnen of naar buiten drijvend. Dit kan potentieel fataal worden voor planeten die al relatief dicht bij de centrale ster staan.
In de buurt van de ster, we zullen alleen rotsachtige planeten tegenkomen, met vaste oppervlakken, vergelijkbaar met onze aarde. Planetaire kernen kunnen alleen aanzienlijke hoeveelheden gas opvangen en vasthouden om veel verder weg gasreuzen te worden. weg van de hete ster. Maar de eenvoudigste berekening voor de beweging van een planeet nabij de ster, in het gas van een protoplanetaire schijf, laat zien dat zo'n planeet voortdurend naar binnen moet drijven, in de ster storten op een tijdschaal van minder dan een miljoen jaar, veel korter dan de levensduur van de schijf.
Als dit het hele plaatje was, het zou een raadsel zijn dat de Kepler-satelliet van NASA, het onderzoeken van sterren die lijken op de zon (spectraaltypes F, G en K), iets heel anders gevonden:talloze sterren draaien heel dicht om de zogenaamde superaarde heen, rotsachtige planeten die massiever zijn dan onze eigen aarde. Vooral veel voorkomend zijn planeten met perioden van ongeveer 12 dagen, dalend tot periodes van slechts 10 dagen. Voor onze zon, dat zou overeenkomen met baanstralen rond 0,1 astronomische eenheden, slechts ongeveer een kwart van de baanstraal van Mercurius, de planeet die het dichtst bij onze zon staat in ons eigen zonnestelsel.
Dit was de puzzel die Mario Flock, een groepsleider bij het Max Planck Instituut voor Sterrenkunde, aan de slag om op te lossen, samen met collega's van het Jet Propulsion Laboratory, de Universiteit van Chicago en de Queen Mary University, Londen. De betrokken onderzoekers zijn experts in het simuleren van de complexe omgeving waarin planeten worden geboren, het modelleren van de stromen en interacties van gas, stof, magnetische velden, en van planeten en hun verschillende voorloperstadia. Geconfronteerd met de schijnbare paradox van de nabije omloopbaan Kepler superaarde, ze wilden de vorming van planeten in de buurt van zonachtige sterren in detail simuleren.
Babyproofing op zonnestelsel
Hun resultaten waren ondubbelzinnig, en suggereren twee mogelijke redenen voor het veelvoorkomende voorkomen van dicht om de aarde draaiende planeten. De eerste is dat, tenminste voor rotsachtige planeten met massa's tot 10 keer de massa van de aarde ("superaarde" of "mini-Neptunus"), die vroege stersystemen zijn babyproof.
De veiligheidsbarrière die jonge planeten buiten de gevarenzone houdt, werkt als volgt. Hoe dichter we bij de ster komen, hoe intenser de straling van de ster. Binnengrens genaamd het silicaatsublimatiefront, de schijftemperatuur stijgt boven 1200 K, en stofdeeltjes (silicaten) zullen in gas veranderen. Het extreem hete gas in dat gebied wordt erg turbulent. Deze turbulentie transporteert het gas met hoge snelheid naar de ster, daarbij het binnenste gebied van de schijf dunner maken.
Terwijl een jonge superaarde door het gas reist, het gaat meestal gepaard met gas dat meedraait met de planeet op een baan die lijkt op een hoefijzer. Terwijl de planeet naar binnen drijft en het silicaatsublimatiefront bereikt, de gasdeeltjes die van het hete dunnere gas naar het dichtere gas buiten de grens gaan, geven de planeet een kleine kick. In deze situatie, het gas zal invloed uitoefenen (fysisch gesproken:een koppel) op de reizende planeet, en cruciaal, door de sprong in dichtheid, die invloed zal de planeet wegtrekken van de grens, radiaal naar buiten. Op deze manier, de grens dient als een veiligheidsbarrière, voorkomen dat de jonge planeten in de ster storten. En de locatie van de grens voor een zonachtige ster, zoals voorspeld door de simulatie, komt overeen met de ondergrens voor omlooptijden gevonden door Kepler. Zoals Mario Flock zegt:"Waarom zijn er zoveel superaardes in een korte baan om de aarde, zoals Kepler ons heeft laten zien? Omdat jonge planetenstelsels een ingebouwde babyveilige barrière hebben."
Planeten bouwen op de grens
Er is een alternatieve mogelijkheid:bij het volgen van de beweging van kiezelachtige, kleinere voorwerpen van enkele millimeters of centimeters groot, de onderzoekers ontdekten dat dergelijke kiezelstenen de neiging hebben zich dicht achter het silicaatsublimatiefront te verzamelen. Om de druk direct aan de grens te laten balanceren, het dunne gas in het overgangsgebied moet sneller roteren dan normaal (aangezien er een evenwicht moet zijn tussen druk en middelpuntvliedende kracht). Deze gasrotatie is sneller dan de "Kepleriaanse" baansnelheid van een geïsoleerd deeltje dat alleen om de ster draait. Een kiezelsteen die dit overgangsgebied binnenkomt, wordt in deze sneller-dan-Kepleriaanse beweging gedwongen, en onmiddellijk weer uitgeworpen als de overeenkomstige middelpuntvliedende krachten het naar buiten duwen, als een klein kind dat van het platform van een draaimolen glijdt. Dit, draagt ook bij aan de frequentie van dicht in een baan om de aarde draaiende superaarde. Niet alleen verzamelen eerder gevormde superaardes zich bij een babyveilige barrière. Het feit dat kiezelstenen zich ook op die barrière verzamelen, biedt ideale omstandigheden voor de vorming van een superaarde op die locatie.
De resultaten kwamen voor de onderzoekers niet als een complete verrassing. In feite, ze hadden een soortgelijke kiezelval gevonden in modellen van veel zwaardere sterren ("Herbig-sterren"), hoewel op een veel grotere afstand van de ster. De nieuwe resultaten breiden dit uit tot zonachtige sterren, en ze voegen het baby-proofing-mechanisme toe voor pasgeboren planeten. Verder, het nieuwe artikel is het eerste dat een vergelijking geeft met statistische gegevens van de Kepler-ruimtetelescoop, zorgvuldig rekening houdend met het feit dat Kepler alleen bepaalde soorten systemen kan zien (met name waar we het baanvlak bijna van de zijkant zien).
Hoe zit het met ons eigen zonnestelsel?
interessant, volgens deze criteria, ons eigen zonnestelsel zou ook een aardachtige planeet kunnen hebben die dichter bij de zon staat dan de huidige binnenste planeet, Kwik. Is het feit dat zo'n planeet niet bestaat een statistische toevalstreffer, of heeft zo'n planeet bestaan en ooit uit het zonnestelsel verdreven? Dat is een interessante vraag voor aanvullend onderzoek. Zoals Mario Flock zegt:"Niet alleen dat ons zonnestelsel baby-proof was, het is mogelijk dat de baby die zo beschermd is sindsdien 'het nest is uitgevlogen'."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com