In de afgelopen 25 jaar, wetenschappers hebben meer dan 4000 planeten ontdekt buiten de grenzen van ons zonnestelsel. Van relatief kleine rots- en waterwerelden tot zinderend hete gasreuzen, de planeten vertonen een opmerkelijke variëteit. Deze variëteit is niet onverwacht. De geavanceerde computermodellen, waarmee wetenschappers de vorming van planeten bestuderen, spawnen ook heel verschillende planeten. Wat de modellen moeilijker kunnen verklaren, is de waargenomen massaverdeling van de planeten die rond andere sterren zijn ontdekt. De meerderheid is in de categorie tussenliggende massa gevallen - planeten met massa's van verschillende aardmassa's tot rond die van Neptunus. Zelfs in de context van het zonnestelsel, de vorming van Uranus en Neptunus blijft een mysterie. Wetenschappers van de universiteiten van Zürich en Cambridge, geassocieerd met de Zwitserse NCCR PlanetS, hebben nu een alternatieve verklaring voorgesteld, ondersteund door uitgebreide simulaties. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurastronomie .

Twee tegengestelde krachten...

"Als planeten ontstaan ​​uit de zogenaamde protoplanetaire schijf van gas en stof, zwaartekrachtinstabiliteiten zouden het aandrijfmechanisme kunnen zijn, "Lucio Mayer, studie co-auteur en hoogleraar Computational Astrophysics aan de Universiteit van Zürich, en lid van de NCCR PlanetS, verklaart. In dit proces, stof en gas in de schijf klonteren samen door de zwaartekracht en vormen dichte spiraalstructuren. Deze groeien vervolgens uit tot planetaire bouwstenen en uiteindelijk planeten.

De schaal waarop dit proces plaatsvindt, is erg groot en omvat de schaal van de protoplanetaire schijf. "Maar over kortere afstanden - de schaal van afzonderlijke planeten - domineert een andere kracht:die van magnetische velden die zich naast de planeten ontwikkelen, Mayer legt het uit. Deze magnetische velden wekken het gas en stof van de schijf op en beïnvloeden zo de vorming van de planeten. "Om een ​​volledig beeld te krijgen van het planetaire vormingsproces, het is daarom belangrijk om niet alleen de grootschalige spiraalstructuur in de schijf te simuleren. Ook de kleinschalige magnetische velden rond de groeiende planetaire bouwstenen moeten worden meegenomen, " zegt hoofdauteur van de studie, voormalig doctoraatsstudent van Mayer en nu Research Fellow aan de Universiteit van Cambridge, Hongping Deng.

...die moeilijk tegelijkertijd te bevatten zijn

Echter, de verschillen in schaal en aard van zwaartekracht en magnetisme maken de twee krachten zeer uitdagend om te integreren in hetzelfde planetaire vormingsmodel. Tot dusver, computersimulaties die de effecten van een van de krachten goed vastlegden, deed het meestal slecht met de ander. Slagen, het team ontwikkelde een nieuwe modelleringstechniek. Dat vereiste expertise op een aantal verschillende gebieden:ze hadden een diep theoretisch begrip nodig van zowel zwaartekracht als magnetisme. Vervolgens, de onderzoekers moesten een manier vinden om het begrip te vertalen in een code die deze contrasterende krachten efficiënt kon berekenen. Eindelijk, vanwege het enorme aantal noodzakelijke berekeningen, er was een krachtige computer nodig, zoals de 'Piz Daint' in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS). "Naast de theoretische inzichten en de technische tools die we hebben ontwikkeld, we waren dus ook afhankelijk van de opmars van rekenkracht, ' zegt Lucio Mayer.

Een decennia oude puzzel opgelost?

Tegen alle waarschijnlijkheid in, alles kwam op het juiste moment samen en zorgde voor een doorbraak. "Met ons model we konden voor het eerst aantonen dat de magnetische velden het voor de groeiende planeten moeilijk maken om door te gaan met het verzamelen van massa voorbij een bepaald punt. Als resultaat, reuzenplaneten worden zeldzamer en planeten met middelmatige massa komen veel vaker voor - vergelijkbaar met wat we in werkelijkheid waarnemen, " legt Hongping Deng uit.

"Deze resultaten zijn slechts een eerste stap, maar ze laten duidelijk zien hoe belangrijk het is om rekening te houden met meer fysieke processen in simulaties van planeetvorming. Onze studie helpt bij het begrijpen van mogelijke paden naar de vorming van planeten met middelzware massa die veel voorkomen in onze melkweg. Het helpt ons ook de protoplanetaire schijven in het algemeen te begrijpen, "Ravit Helled, co-auteur en hoogleraar theoretische astrofysica aan de Universiteit van Zürich en lid van de NCCR PlanetS, concludeert.