Nya rön om planetbildning

 

Bild https://www.swri.org  Southwest Research Institute scientists have developed a new model that explains the formation of compact exoplanetary systems, such as TRAPPIST-1, that contain multiple rocky planets in very tight orbits around their star. In contrast, our solar system is much more expansive and has no planets inside the orbit of Mercury. Courtesy of NASA/JPL-Caltech

Många exoplaneter kretsar mycket nära sin sol. Detta till skillnad mot planeterna i vårt  solsystem där ingen planet ligger närmare solen än Merkurius. Intressant är att den totala massan av alla planeterna i varje solsystem i förhållande till sin sols massa är likartade i hundratals system. Orsaken till detta massförhållande är ett mysterium.

Dr. Raluca Rufu och Dr. Robin Canup vid SwRI:s Solar System Science and Exploration Division i Boulder, Colorado, använde avancerade datorsimuleringar i sin undersökning av fenomenet.

"Kompakta system är ett av de stora mysterierna inom exoplanetvetenskapen", beskriver Rufu, som är Sagan Fellow och huvudförfattare till en artikel i Nature (se nedan) Communications. "De innehåller flera stenplaneter av liknande storlek radade upp som ärtor i en skida och med ett gemensamt massförhållande som skiljer sig mycket från det som planeterna i vårt solsystem har."

"Intressant nog liknar det vanliga massförhållandet som ses i kompakta exoplanetsystem det som finns i satellitsystemen (månar) runt våra gasplaneter. Dessa månar tros ha utvecklats i slutfasen av gasplaneters bildande.

En stjärna bildas när ett molekylärt moln av gas och stoft kollapsar på grund av sin egen gravitation. När materia från molnet faller in mot den centrala stjärnan avsätts det först i en cirkumstellär skiva som kretsar kring stjärnan. Efter att infallet upphört finns skivan kvar i några miljoner år innan dess gas skingras. Planeter bildas inuti skivan en bildning som börjar med kollisioner och ackumulering bland stoftkorn och slutar med gravitation och av detta bildas planeter.

– Konventionellt har man antagit att planetsammansättningen började efter att stjärnornas infall upphörde. Men de senaste observationerna med ALMA (teleskopet finns i Chile) ger starka bevis för att ansamlingen, eller bildningen, av planeter kan börja än tidigare, beskriver Rufu. "Vi föreslår att kompakta system är överlevande rester av planetackretion som inträffade under de sista faserna av infallet." 

De nya numeriska simuleringarna visar att växande planeter samlar stenigt material genom infall medan deras banor gradvis rör sig inåt genom växelverkan med omgivande gas i skivan. När en planet ökar i massa accelererar dess migration inåt i omloppsbanan så att planeter över en kritisk massa faller in i stjärnan och konsumeras. Denna balans mellan planeternas tillväxt och förlust tenderar att ge upphov till planeter av liknande storlek med karakteristiska massor som bestäms av infall och skivförhållanden.

"Vi finner att planeter som ansamlas under infall kan bestå tills gasskivan skingras och migrationen i omloppsbana upphör", beskriver Canup. Det är viktigt att notera att massan hos bestående system är proportionell mot sin sols massa vilket ger den första förklaringen till liknande massförhållanden hos observerade kompakta system med flera planeter.

Den tänkta processen liknar det sätt på vilket månar kan bildas runt jätteplaneter som Jupiter. Månar växer inuti en skiva som omger planeten och som matas av infallande gas och stoft från den cirkumstellära skivan. En viktig skillnad ligger i tidpunkten: månbildande skivor sprids snabbt när infallet upphör, medan planetbildande skivor runt stjärnor kan vara i upp till flera miljoner år. Denna subtila skillnad ger något lägre massförhållanden för kompakta planetsystem än för satellitsystem med gasplaneter.

Se här för att läsa Nature-artikeln med titeln "Originof compact exoplanetary systems during disk infall".