Astronomen hebben tot nu toe het meest realistische model van planeetvorming in dubbelstersystemen ontwikkeld.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge en het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica, hebben laten zien hoe exoplaneten in dubbelstersystemen - zoals de 'Tatooine'-planeten die zijn gespot door NASA's Kepler Space Telescope - ontstonden zonder te worden vernietigd in hun chaotische geboorteomgeving.

Ze bestudeerden een soort binair systeem waarbij de kleinere begeleidende ster ongeveer eens in de 100 jaar om de grotere moederster draait - onze naaste buur, Alpha Centauri, is een voorbeeld van een dergelijk systeem.

"Een systeem als dit zou het equivalent zijn van een tweede zon waar Uranus is, waardoor ons eigen zonnestelsel er heel anders uit zou hebben gezien, " zei co-auteur Dr. Roman Rafikov van Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, die ook lid is van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.

Rafikov en zijn co-auteur Dr. Kedron Silsbee van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica ontdekten dat voor de vorming van planeten in deze systemen, de planetesimalen - planetaire bouwstenen die rond een jonge ster draaien - moeten beginnen met een diameter van minstens 10 kilometer, en de schijf van stof, ijs en gas die de ster omgeeft waarin de planeten zich vormen, moet relatief cirkelvormig zijn.

Het onderzoek, die is gepubliceerd in Astronomie en astrofysica , brengt de studie van planeetvorming in dubbelsterren naar een nieuw niveau van realisme en legt uit hoe zulke planeten, waarvan een aantal is ontdekt, zou hebben gevormd.

Er wordt aangenomen dat de planeetvorming begint in een protoplanetaire schijf - voornamelijk gemaakt van waterstof, helium, en kleine deeltjes ijs en stof - in een baan om een ​​jonge ster. Volgens de huidige leidende theorie over hoe planeten ontstaan, bekend als kernaanwas, de stofdeeltjes kleven aan elkaar, uiteindelijk vormen grotere en grotere vaste lichamen. Als het proces vroegtijdig stopt, het resultaat kan een rotsachtige aarde-achtige planeet zijn. Als de planeet groter wordt dan de aarde, dan is de zwaartekracht voldoende om een ​​grote hoeveelheid gas uit de schijf op te vangen, wat leidde tot de vorming van een gasreus zoals Jupiter.

"Deze theorie is logisch voor planetaire systemen gevormd rond een enkele ster, maar planeetvorming in binaire systemen is ingewikkelder, omdat de begeleidende ster zich gedraagt ​​als een gigantische eierklopper, dynamisch opwindend de protoplanetaire schijf, ' zei Rafikov.

"In een systeem met een enkele ster bewegen de deeltjes in de schijf met lage snelheden, zodat ze gemakkelijk aan elkaar plakken als ze botsen, ze laten groeien, " zei Silsbee. "Maar vanwege het zwaartekracht 'eiereter'-effect van de begeleidende ster in een dubbelstersysteem, daar botsen de vaste deeltjes met een veel hogere snelheid op elkaar. Dus, als ze botsen, ze vernietigen elkaar."

Er zijn veel exoplaneten gespot in binaire systemen, dus de vraag is hoe ze daar zijn gekomen. Sommige astronomen hebben zelfs gesuggereerd dat deze planeten misschien in de interstellaire ruimte zweefden en naar binnen werden gezogen door de zwaartekracht van een dubbelster, bijvoorbeeld.

Rafikov en Silsbee voerden een reeks simulaties uit om dit mysterie op te lossen. Ze ontwikkelden een gedetailleerd wiskundig model van planetaire groei in een binair getal dat realistische fysieke invoer gebruikt en rekening houdt met processen die vaak over het hoofd worden gezien, zoals het zwaartekrachteffect van de gasschijf op de beweging van planetesimalen erin.

"Het is bekend dat de schijf planetesimalen rechtstreeks beïnvloedt door gasweerstand, gedraagt ​​zich als een soort wind, "zei Silsbee. "Een paar jaar geleden, realiseerden we ons dat naast de gasweerstand, de zwaartekracht van de schijf zelf verandert de dynamiek van de planetesimalen dramatisch, in sommige gevallen waardoor planeten kunnen worden gevormd, zelfs ondanks de zwaartekrachtverstoringen als gevolg van de stellaire metgezel."

"Het model dat we hebben gebouwd, brengt dit werk samen, evenals ander eerder werk, om de planeetvormingstheorieën te testen, ' zei Rafikov.

Hun model ontdekte dat planeten zich kunnen vormen in binaire systemen zoals Alpha Centauri, op voorwaarde dat de planetesimalen beginnen met een diameter van ten minste 10 kilometer, en dat de protoplanetaire schijf zelf bijna cirkelvormig is, zonder grote onregelmatigheden. Wanneer aan deze voorwaarden is voldaan, de planetesimalen in bepaalde delen van de schijf bewegen langzaam genoeg ten opzichte van elkaar zodat ze aan elkaar blijven plakken in plaats van elkaar te vernietigen.

Deze bevindingen ondersteunen een bepaald mechanisme van planetesimale vorming, de streaming-instabiliteit genoemd, een integraal onderdeel zijn van het planeetvormingsproces. Deze instabiliteit is een collectief effect, met veel vaste deeltjes in de aanwezigheid van gas, die in staat is om stofkorrels ter grootte van kiezelsteen te concentreren om een ​​paar grote planetesimalen te produceren, die de meeste botsingen zou overleven.

De resultaten van dit werk bieden belangrijke inzichten voor theorieën over planeetvorming rond zowel dubbelsterren als enkelvoudige sterren, evenals voor de hydrodynamische simulaties van protoplanetaire schijven in dubbelsterren. In de toekomst, het model zou ook kunnen worden gebruikt om de oorsprong van de 'Tatooine'-planeten te verklaren - exoplaneten die om beide componenten van een dubbelster draaien - waarvan er ongeveer een dozijn zijn geïdentificeerd door NASA's Kepler Space Telescope.