Een nieuwe studie door planetaire wetenschappers aan de Brown University laat in detail zien hoe ijzige satellieten in de buitenste delen van het zonnestelsel, zoals Jupiters manen Europa en Callisto, mogelijk zijn gevormd uit de wervelende schijven van gas en stof die zijn overgebleven bij de vorming van planeten.

Het onderzoek, gepubliceerd in het _Astrophysical Journal_, biedt de eerste gedetailleerde blik op hoe deze verre, oceaandragende werelden tot stand zouden kunnen zijn gekomen.

"Eerdere theoretische studies hebben gesuggereerd hoe deze satellieten uit de oorspronkelijke protoplanetaire schijf zouden kunnen zijn ontstaan, maar we hadden niet de gedetailleerde berekeningen uitgevoerd die nodig waren om te zien of dit vormingsmechanisme daadwerkelijk zou werken", zegt co-auteur van het onderzoek Alexandra Craddock, een postdoctoraal onderzoeker. in Brown's afdeling Aard-, Milieu- en Planetaire Wetenschappen. "Hier laten we zien hoe het proces in 3D had kunnen werken."

Voor hun berekeningen gebruikten de onderzoekers een geavanceerde computercode genaamd AREPO die eerder was gebruikt om schijfvorming en planeetmigratie in het binnenste zonnestelsel te simuleren. Ze begonnen met het simuleren van een relatief dunne schijf van materiaal rond een jonge zon, die zich uitstrekte tot waar Jupiter uiteindelijk zou ontstaan.

Binnen deze schijf plaatsten ze kleine, rotsachtige ‘embryo’s’ die uiteindelijk tot planeten zouden uitgroeien. Ze bezaaiden de schijf ook met zeer kleine stofdeeltjes die door botsingen en vastplakken geleidelijk zouden uitgroeien tot grotere ijslichamen.

In de loop van de tijd zorgden de interacties tussen de groeiende planeten en de schijf, maar ook tussen de planeten zelf, ervoor dat Jupiter en zijn rotsachtige kern naar binnen migreerden.

"Toen Jupiter naar binnen migreerde, verstoorde het het schijfmateriaal dat zich daarbuiten bevond", zegt hoofdauteur Anders Johansen, professor aan Brown's Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences. "In wezen heeft Jupiter een gat in de schijf vrijgemaakt."

Aan weerszijden van dit vrijgemaakte pad zagen de onderzoekers dat de ijzige stofdeeltjes met elkaar in botsing kwamen en elkaars zwaartekracht begonnen te 'voelen' - wat leidde tot grotere botsingen en snelle groei.

"In deze regio's verliep de accumulatie van ijskoud materiaal zeer snel", zei Johansen. "In slechts een paar tienduizenden jaren zouden manen ter grootte van Europa of Callisto kunnen ontstaan."

Het team was verrast om te zien hoe snel de ijzige manen groeiden.

"We hadden niet verwacht dat satellieten zich zo snel zouden vormen, vooral niet op de buitenste delen van de schijf, waar de orbitale tijdschalen lang zijn", zei Johansen. ‘Dit is waarschijnlijk wat er ook gebeurde in de protoplanetaire schijven rond andere sterren, en zou kunnen verklaren waarom we nu vaak grote ijzige manen in een baan rond gigantische planeten aantreffen.’

Er is nog steeds veel dat wetenschappers niet weten over de vorming van satellieten in onze eigen en andere zonnestelsels, merkte Johansen op, en er is nog geen manier om deze processen rechtstreeks te observeren.

"Maar met modellen als deze kunnen we de omstandigheden simuleren die waarschijnlijk in het vroege zonnestelsel bestonden en beginnen te begrijpen hoe de planeten en manen die het vullen, ontstonden", zei hij.