Astronomen laten zien hoe planeten zich vormen in binaire systemen zonder te worden verpletterd

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

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics hebben aangetoond hoe exoplaneten in Dubbelstersystemen—Net als de Tatooine-planeten die werden gespot door NASA’s Kepler Space Telescope, ontstonden ze zonder te worden vernietigd in hun chaotische geboorteomgeving.

Ze bestudeerden een soort dubbelstersysteem waarin de kleinere begeleidende ster ongeveer eens in de 100 jaar om de grotere draait – onze naaste buur, Alpha Centauri, is een voorbeeld van zo’n systeem.

“Een systeem als dit zou het equivalent zijn van een tweede zon waar Uranus zich bevindt, waardoor ons zonnestelsel er heel anders uitziet”, zegt co-auteur Dr. Roman Rafikov van het Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics in Cambridge.

Rafikov en co-auteur Dr. Kidron Silsby van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics ontdekten dat om planeten in deze systemen te vormen, kleine planeten – de planetaire bouwstenen die rond een kleine ster draaien – minstens 10 kilometer moeten beginnen, en de schijf van stof, ijs en gas rond de ster die wanneer de planeten worden gevormd, deze relatief cirkelvormig moet zijn.

Zoek gepubliceerd in Astronomie en astrofysica, brengt de studie van planeetvorming in dubbelsterren naar een nieuw niveau van realisme en legt uit hoe deze planeten, waarvan er een aantal zijn ontdekt, mogelijk zijn gevormd.

Men denkt dat planetaire vorming begint in een protoplanetaire schijf – voornamelijk samengesteld uit waterstof, helium en minuscule deeltjes ijs en stof – die rond een jonge ster cirkelen. Volgens de huidige leidende theorie over de vorming van planeten, ook wel kernaccretie genoemd, blijven stofdeeltjes aan elkaar plakken en vormen uiteindelijk steeds grotere vaste objecten. Als het proces vroegtijdig stopt, kan het resultaat een rotsachtige, aardachtige planeet zijn. Als de planeet groter wordt dan de aarde, is de zwaartekracht voldoende om een ​​grote hoeveelheid gas van de schijf op te vangen, wat resulteert in de vorming van een gasreus zoals Jupiter.

“Deze theorie is logisch voor planetaire systemen die rond een enkele ster zijn gevormd, maar de vorming van planeten in binaire systemen is ingewikkelder, omdat de begeleidende ster werkt als een gigantische eierklopper en de protoplanetaire schijf dynamisch prikkelt”, zei Rafikov.

“In een systeem met één ster bewegen de deeltjes in de schijf met lage snelheden, dus het is gemakkelijk om aan elkaar te kleven wanneer ze botsen, waardoor ze kunnen groeien”, zei Silsby. “Maar vanwege het zwaartekracht ‘eierwerper’-effect van de begeleidende ster in een dubbelstersysteem, botsen de vaste deeltjes daar met een veel hogere snelheid met elkaar. Dus wanneer ze botsen, vernietigen ze elkaar.”

Er zijn veel exoplaneten waargenomen in binaire systemen, dus de vraag is hoe ze daar terecht zijn gekomen. Sommige astronomen hebben zelfs gesuggereerd dat deze planeten in de interstellaire ruimte hebben kunnen zweven en bijvoorbeeld zijn geabsorbeerd door de zwaartekrachtsdubbelster.

Rafikoff en Silsby voerden een reeks simulaties uit om deze puzzel op te lossen. Ze ontwikkelden een gedetailleerd wiskundig model van planetaire groei in binair getal dat realistische fysieke input gebruikt en vaak over het hoofd geziene processen verklaart, zoals het zwaartekrachteffect van een gasschijf op de beweging van de planeten erin.

“Het is bekend dat de schijf de kleine planeten rechtstreeks beïnvloedt via gaswolken en werkt als een soort wind”, zei Silsby. “Een paar jaar geleden realiseerden we ons dat naast de gaswolken, de zwaartekracht van de schijf zelf de dynamiek van jonge planeten drastisch verandert, waardoor in sommige gevallen planeten kunnen worden gevormd, zelfs ondanks zwaartekrachtsverstoringen als gevolg van een begeleidende ster.”

“Het model dat we hebben gebouwd, combineert dit werk, evenals ander eerder werk, om theorieën over planetaire vorming te testen,” zei Rafikov.

Hun model ontdekte dat planeten zich kunnen vormen in binaire systemen zoals Alpha Centauri, op voorwaarde dat kleine planeten minstens 10 km groot zijn, en dat protoplanetaire schijf zelf zijn bijna cirkelvormig, zonder grote onregelmatigheden. Wanneer aan deze voorwaarden wordt voldaan, zullen de kleine planeten in bepaalde delen van de schijf uiteindelijk langzaam genoeg ten opzichte van elkaar bewegen dat ze aan elkaar blijven plakken in plaats van elkaar te vernietigen.

Deze bevindingen ondersteunen een bepaald mechanisme van planeetvorming, fluxinstabiliteit genaamd, dat een integraal onderdeel is van het planeetvormingsproces. Deze instabiliteit is een collectief effect, waarbij veel vaste deeltjes betrokken zijn in de aanwezigheid van gas, in staat om stofkorrels van kiezelsteen tot rots te concentreren om een ​​paar kleine planeten te produceren, die de meeste botsingen zouden overleven.

De resultaten van dit werk bieden belangrijke inzichten voor theorieën over planeetvorming rond zowel het binaire als het singuliere systeem النظام sterren, evenals voor de hydrodynamische simulatie van protoplanetaire schijven in dubbelsterren. In de toekomst kan het model ook worden gebruikt om de oorsprong van “Tatooine” te verklaren planetenExoplaneten die om twee binaire componenten draaien – ongeveer tien van hen zijn geïdentificeerd door NASA’s Kepler-ruimtetelescoop.