Van een enorme schijf van gas en stof die rond de zon draait, de aarde en de andere zeven planeten van ons zonnestelsel hebben zich ooit naast hun manen ontwikkeld. En hetzelfde moet gebeurd zijn, wetenschappers geloven, voor de duizenden extrasolaire planeten die de afgelopen decennia zijn ontdekt. Om meer inzicht te krijgen, astrofysici gebruiken computersimulaties om de processen te onderzoeken die aan het werk zijn als planeten worden gevormd uit dergelijke protoplanetaire schijven, zoals de groei van de massa van een planeet en de vorming van zijn magnetisch veld. Tot voor kort, deze twee processen - planeetontwikkeling en magnetische veldvorming - zijn afzonderlijke onderzoeksgebieden geweest en in afzonderlijke modellen gesimuleerd. Maar nu, Lucio Mayer, Professor in Computational Astrophysics aan de Universiteit van Zürich en Project Manager bij het National Center of Competence in Research Planets, samen met zijn collega's Hongping Deng, voormalig Ph.D. leerling van Mayer, en Henrik de laatste, Universitair docent aan de Universiteit van Cambridge, hebben beide processen voor het eerst succesvol gecombineerd in één simulatie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Twee modellen in één

Astrofysici zijn zich ervan bewust dat de zogenaamde zwaartekrachtinstabiliteit (GI) in een enorme, roterende schijf van materie speelt een beslissende rol bij de vorming van planeten. Het zorgt ervoor dat deeltjes "samenklonteren", zodat structuren met een hoge dichtheid zoals spiraalarmen worden gevormd. Van deze samengeklonterde structuren, de planeten hadden zich snel kunnen opbouwen, over een periode van "slechts" honderdduizenden jaren, of nog minder. Echter, de effecten van het magnetische veld tijdens zwaartekrachtinstabiliteit zijn als studiepunt verwaarloosd, tot nu. Met behulp van de "Piz Daint"-supercomputer in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano, deze wetenschappers hebben nu de ontwikkeling van de protoplanetaire schijf gesimuleerd, zowel onder invloed van de zwaartekracht als in aanwezigheid van een magnetisch veld, waardoor een volledig nieuw mechanisme werd ontdekt dat voorheen onverklaarde waarnemingen zou kunnen verklaren.

Een van die onverklaarbare observaties is dat planeten in ons zonnestelsel tegenwoordig veel langzamer draaien dan de protoplanetaire schijf waaruit ze ooit moeten zijn voortgekomen. Tijdens de vorming van planeten, evenals van sterren en zwarte gaten, enorme hoeveelheden impulsmoment moeten verloren gaan, maar hoe ze dit momentum verloren, is onduidelijk gebleven. Dit zogenaamde impulsmomentprobleem is bekend in de astrofysica. "Ons nieuwe mechanisme lijkt dit zeer algemene probleem op te lossen en te verklaren, ' zegt Mayer.

Een wetenschappelijke droom vervullen

Het is al jaren een droom van Mayer om beide processen in één simulatie te combineren. Echter, de onderliggende fysieke processen zijn complex, en hun weergave in de simulaties vereiste geavanceerde codes en een hoge rekenkracht. Hoewel de vervulling van de droom steeds dichterbij kwam met de gestage toename van de rekenkracht van supercomputers, er was geen tijd voor de wiskundig-fysische beschrijving van de processen die nodig waren om het probleem op te lossen. Echter, dankzij de steun en vaardigheden van Hongping Deng, die een geschikte methode heeft ontwikkeld, de droom kon nu uitkomen. Het team experimenteerde met deze nieuwe numerieke techniek, verder ontwikkeld, en geoptimaliseerd om het best mogelijke gebruik te maken van de prestatiemogelijkheden van "Piz Daint."

specifiek, de onderzoekers gebruikten en verbeterden een zogenaamde hybride mesh-particle-methode om het magnetische veld te berekenen, vloeistofdynamica en zwaartekracht. Bij deze methode worden de massa en de uitgeoefende zwaartekracht berekend met behulp van deeltjes, die elk een deel van het systeem vertegenwoordigen. De thermische druk en het effect van het magnetische veld worden berekend met een soort virtueel adaptief gaas dat is opgebouwd uit de deeltjes, die, volgens de onderzoekers zorgt voor een hoge nauwkeurigheid.

De nieuw ontwikkelde methode leidde tot verrassende resultaten met betrekking tot de interactie tussen GI en het magnetische veld. Er werd aangetoond dat de spiraalarmen gevormd door de zwaartekracht in de protoplanetaire schijf werken als een dynamo, het uitrekken en versterken van het magnetische zaad. Als resultaat, het magnetische veld groeit en wint aan kracht. Tegelijkertijd, dit proces genereert veel meer warmte in de protoplanetaire schijf dan eerder werd aangenomen. Het meest verrassend voor de onderzoekers, echter, was het feit dat de dynamo een significante invloed lijkt te hebben op de beweging van de zaak. De dynamo duwt hem krachtig naar binnen, aangroeien op de ster, en naar buiten, weg van de schijf. Dit betekent dat de schijf veel sneller evolueert dan eerdere theorieën hadden gesuggereerd.

Interactie verhoogt de aanwas en genereert wind

"De simulatie laat zien dat de energie die wordt gegenereerd door de interactie van het zich vormende magnetische veld met de zwaartekracht naar buiten werkt en een wind aandrijft die materie uit de schijf gooit, Mayer zegt. Dit zou ertoe leiden dat 90 procent van de massa verloren gaat in minder dan een miljoen jaar. "Als dit waar is, dit zou een wenselijke voorspelling zijn, omdat veel van de protoplanetaire schijven die zijn bestudeerd met telescopen van een miljoen jaar oud ongeveer 90 procent minder massa hebben dan voorspeld door de simulaties van de vorming van schijven tot nu toe, " legt de astrofysicus uit. Uiteindelijk, de energie-onttrekking leidt ertoe dat de materie instort en spin verliest. De onderzoekers hopen nu de wind en het uitstoten van materie in de vroege levensfasen van protoplanetaire schijven te kunnen observeren met extreem krachtige telescopen zoals de ALMA in Chili of de vierkante kilometer array die momenteel in aanbouw is.

De onderzoekers zijn van mening dat, door hun werk, ze hebben een volledig nieuw wrijvingsmechanisme ontdekt, gegenereerd door de interactie van magnetisch veld en GI, waardoor het impulsmoment van de schijf aanzienlijk wordt aangetast. "Dankzij de krachtige motor van spiraalvormige dichtheidsgolven, ons nieuwe wrijvingsmechanisme lijkt nog efficiënter in dichte protoplanetaire schijfgebieden waar er minder geladen deeltjes zijn om het magnetische veld in stand te houden, "Deng zegt. "Dit is anders dan alle andere eerder voorgestelde mechanismen, die het magnetische veld in dergelijke gebieden niet konden ondersteunen. "

Deng doet nu onderzoek aan de Universiteit van Cambridge als SNF Fellow. Het nieuwe doel is om de onderzoeksresultaten te onderbouwen, bijvoorbeeld door ze – ook bij andere onderzoeksgroepen – te gebruiken voor de simulatie van verschillende kosmische structuren, zoals de eerste grote zwarte gaten die zich in het universum vormen aan het begin van de vorming van sterrenstelsels.