Pasgeboren gasplaneten kunnen verrassend plat zijn nieuw onderzoek

Pasgeboren gasplaneten kunnen verrassend plat zijn – nieuw onderzoek

Een nieuwe planeet begint zijn leven in een draaiende cirkel van gas en stof, een wieg die bekend staat als een protostellaire schijf. Mijn collega’s en ik hebben computersimulaties gebruikt om aan te tonen dat pasgeboren gasplaneten in deze schijven waarschijnlijk een verrassend platte vorm hebben. Deze bevinding, die is gepubliceerd in Astronomy and Astrophysics Letters, kan ons een beter beeld geven van hoe planeten precies ontstaan.

Het waarnemen van protoplaneten die net gevormd zijn en zich nog in hun protostellaire schijf bevinden, is extreem moeilijk. Tot nu toe zijn er slechts drie van zulke jonge protoplaneten waargenomen, waarvan twee in hetzelfde systeem, PDS 70.

We moeten stelsels vinden die jong zijn en dichtbij genoeg voor onze telescopen om het zwakke licht van de planeet zelf te kunnen detecteren en te onderscheiden van dat van de schijf. Het hele proces van planeetvorming duurt slechts een paar miljoen jaar en dat is niet meer dan een oogwenk op astrofysische schalen. Dit betekent dat we geluk moeten hebben om ze tijdens hun vorming te vangen.

Onze onderzoeksgroep voerde computersimulaties uit om de eigenschappen van gasvormige protoplaneten te bepalen onder verschillende thermische omstandigheden in de wieg van de planeten.

De simulaties hebben voldoende resolutie om de evolutie van een protoplaneet in de schijf te kunnen volgen vanaf een vroeg stadium, wanneer het slechts een condensatie binnen de schijf is. Dergelijke simulaties zijn rekenintensief en werden uitgevoerd op DiRAC, de Britse supercomputerfaciliteit voor astrofysica.

Normaal gesproken vormen zich meerdere planeten binnen een schijf. De studie ontdekte dat protoplaneten een vorm hebben die bekend staat als afgeplatte sferoïden, zoals Smarties of M&M’s, in plaats van bolvormig. Ze groeien door voornamelijk gas aan te zuigen via hun polen in plaats van hun evenaar.

Technisch gezien zijn de planeten in ons zonnestelsel ook afgeplatte bolvormen, maar hun afplatting is klein. Saturnus heeft een afplatting van 10%, Jupiter 6% en de Aarde slechts 0,3%.

Ter vergelijking: de typische afplatting van protoplaneten is 90%. Zo’n afplatting heeft invloed op de waargenomen eigenschappen van protoplaneten en daar moet rekening mee worden gehouden bij het interpreteren van waarnemingen.

Hoe planeten beginnen

De meest geaccepteerde theorie voor planeetvorming is die van “kernaccretie”. Volgens dit model botsen kleine stofdeeltjes die kleiner zijn dan zand op elkaar, groeperen zich en groeien geleidelijk uit tot steeds grotere lichamen. Dit is in feite wat er gebeurt met het stof onder je bed als je het niet schoonmaakt.

Zodra zich een kern van stof met voldoende massa vormt, trekt deze gas aan uit de schijf om een gasreuzenplaneet te vormen. Deze bottom-to-top benadering zou een paar miljoen jaar duren.

De tegenovergestelde benadering, van boven naar beneden, is de theorie van schijfinstabiliteit. In dit model zijn de protostellaire schijven bij jonge sterren gravitationeel instabiel. Met andere woorden, ze zijn te zwaar om in stand te worden gehouden en fragmenteren daarom in stukken, die evolueren tot planeten.

De theorie van kernaccretie bestaat al heel lang en kan veel aspecten van de vorming van ons zonnestelsel verklaren. Schijfinstabiliteit kan echter een betere verklaring zijn voor sommige exoplanetaire systemen die we de afgelopen decennia hebben ontdekt, zoals die waarbij een gasreuzenplaneet heel ver van zijn gastheerster draait.

De aantrekkingskracht van deze theorie is dat planeetvorming heel snel gebeurt, binnen een paar duizend jaar, wat overeenkomt met waarnemingen die suggereren dat planeten bestaan in zeer jonge schijven.

Onze studie richtte zich op gasreuzenplaneten die gevormd werden via het model van schijfinstabiliteit. Ze zijn afgeplat omdat ze ontstaan uit de compressie van een al platte structuur, de protostellaire schijf, maar ook door de manier waarop ze draaien.

Geen platte aarden

Hoewel deze protoplaneten over het geheel genomen erg afgeplat zijn, is hun kern, die uiteindelijk zal evolueren tot gasreuzen zoals wij die kennen, minder afgeplat – slechts met ongeveer 20%. Dit is slechts twee keer de afplatting van Saturnus. Na verloop van tijd zullen ze naar verwachting meer bolvormig worden.

Rotsplaneten, zoals de Aarde en Mars, kunnen zich niet vormen via schijfinstabiliteit. Men denkt dat ze ontstaan door het langzaam samensmelten van stofdeeltjes tot kiezels, rotsen, objecten van kilometers groot en uiteindelijk planeten. Ze zijn te dicht om significant afgeplat te worden, zelfs als ze net geboren zijn. Het is onmogelijk dat de aarde in zo’n hoge mate werd afgeplat toen ze jong was.

Maar onze studie ondersteunt wel een rol voor schijfinstabiliteit in het geval van sommige werelden in sommige planetenstelsels.

We gaan nu van het tijdperk van exoplaneetontdekkingen naar het tijdperk van exoplaneetkarakterisering. Veel nieuwe observatoria zullen operationeel worden. Deze zullen helpen om meer protoplaneten te ontdekken die in hun schijven zijn ingebed. Voorspellingen van computermodellen worden ook steeds geavanceerder.

De vergelijking tussen deze theoretische modellen en waarnemingen brengt ons steeds dichter bij het begrip van de oorsprong van ons zonnestelsel.

Dimitris Stamatellos ontvangt financiering van de Science and Technology Facilities Council (STFC).

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.