Ein neuer Planet beginnt sein Leben in einem rotierenden Kreis aus Gas und Staub, einer Wiege, die als a bekannt ist protostellare Scheibe. Meine Kollegen und ich haben mithilfe von Computersimulationen gezeigt, dass neugeborene Gasplaneten in diesen Scheiben wahrscheinlich überraschend abgeflachte Formen haben. Diese Feststellung, veröffentlicht in Briefe zur Astronomie und Astrophysikkönnte unser Bild von der genauen Entstehung von Planeten bereichern.
Die Beobachtung von Protoplaneten, die sich gerade erst gebildet haben und sich noch innerhalb ihrer protostellaren Scheiben befinden, ist äußerst schwierig. Bisher wurden nur drei solcher jungen Protoplaneten beobachtet, zwei davon im selben System, PDS 70.
Wir müssen Systeme finden, die jung und nah genug sind, dass unsere Teleskope das schwache Licht des Planeten selbst erkennen und es von dem der Scheibe unterscheiden können. Der gesamte Prozess der Planetenentstehung dauert nur wenige Millionen Jahre, was in astrophysikalischen Maßstäben nichts weiter als ein Wimpernschlag ist. Das bedeutet, dass wir Glück haben müssen, um sie beim Entstehen zu erwischen.
Unsere Forschungsgruppe führte Computersimulationen durch, um die Eigenschaften gasförmiger Protoplaneten unter verschiedenen thermischen Bedingungen in den Wiegen der Planeten zu bestimmen.
Die Simulationen haben eine ausreichende Auflösung, um die Entwicklung eines Protoplaneten in der Scheibe bereits in einem frühen Stadium verfolgen zu können, wenn es sich lediglich um eine bloße Kondensation innerhalb der Scheibe handelt. Solche Simulationen sind rechenintensiv und wurden durchgeführt DiRAC, die britische Supercomputing-Einrichtung für Astrophysik.
Typischerweise bilden sich innerhalb einer Scheibe mehrere Planeten. Die Studie ergab, dass Protoplaneten eine Form haben, die als abgeplattete Sphäroide bekannt ist, wie Smarties oder M&Ms, und nicht kugelförmig sind. Sie wachsen, indem sie Gas überwiegend durch ihre Pole und nicht durch ihre Äquatoren ansaugen.
Technisch gesehen sind die Planeten in unserem Sonnensystem ebenfalls abgeplattete Sphäroide, aber ihre Abflachung ist gering. Saturn hat eine Abflachung von 10 %, Jupiter von 6 %, während die Erde nur 0,3 % abflacht..
Im Vergleich dazu beträgt die typische Abflachung von Protoplaneten 90 %. Eine solche Abflachung wirkt sich auf die beobachteten Eigenschaften von Protoplaneten aus und muss bei der Interpretation der Beobachtungen berücksichtigt werden.
Wie Planeten entstehen
Die am weitesten verbreitete Theorie zur Planetenentstehung ist das der „Kernakkretion“. Nach diesem Modell kollidieren winzige Staubpartikel, die kleiner als Sand sind, miteinander, gruppieren sich und wachsen nach und nach zu immer größeren Körpern heran. Genau das passiert mit dem Staub unter Ihrem Bett, wenn es nicht gereinigt wird.
Sobald sich ein Staubkern mit genügend Masse gebildet hat, zieht er Gas aus der Scheibe und bildet so einen Gasriesenplaneten. Dieser Ansatz von unten nach oben würde einige Millionen Jahre dauern.
Der entgegengesetzte, von oben nach unten gerichtete Ansatz ist der Theorie der Festplatteninstabilität. In diesem Modell sind die protostellaren Scheiben, die junge Sterne umgeben, gravitativ instabil. Mit anderen Worten: Sie sind zu schwer, um gewartet zu werden, und zerfallen daher in Stücke, die sich zu Planeten entwickeln.
Die Theorie der Kernakkretion gibt es schon seit langem und sie kann viele Aspekte der Entstehung unseres Sonnensystems erklären. Allerdings kann die Scheibeninstabilität einige der exoplanetaren Systeme, die wir in den letzten Jahrzehnten entdeckt haben, besser erklären, beispielsweise solche, bei denen ein Gasriesenplanet sehr, sehr weit von seinem Mutterstern entfernt kreist.
Der Reiz dieser Theorie besteht darin, dass die Planetenentstehung sehr schnell erfolgt, nämlich innerhalb weniger tausend Jahre, was mit Beobachtungen übereinstimmt, die darauf hindeuten, dass Planeten in sehr jungen Scheiben existieren.
Unsere Studie konzentrierte sich auf Gasriesenplaneten, die nach dem Modell der Scheibeninstabilität entstanden sind. Sie sind abgeflacht, weil sie durch die Kompression einer bereits flachen Struktur, der protostellaren Scheibe, entstehen, aber auch aufgrund ihrer Rotation.
Keine flachen Erden
Obwohl diese Protoplaneten insgesamt sehr abgeflacht sind, sind ihre Kerne, die sich schließlich zu den Gasriesenplaneten entwickeln werden, wie wir sie kennen, weniger abgeflacht – nur um etwa 20 %. Dies ist nur das Doppelte der Abflachung des Saturn. Es ist zu erwarten, dass sie mit der Zeit kugelförmiger werden.
Gesteinsplaneten wie die Erde und der Mars können nicht durch Scheibeninstabilität entstehen. Es wird angenommen, dass sie entstehen, indem sich Staubpartikel langsam zu Kieselsteinen, Steinen, kilometergroßen Objekten und schließlich zu Planeten zusammenfügen. Sie sind zu dicht, um selbst bei der Geburt deutlich abgeflacht zu werden. Es besteht keine Möglichkeit, dass die Erde in jungen Jahren so stark abgeflacht war.
Aber unsere Studie weist darauf hin, dass die Scheibeninstabilität bei manchen Welten und manchen Planetensystemen eine Rolle spielt.
Wir bewegen uns jetzt von der Ära der Exoplanetenentdeckungen zur Ära der Exoplanetencharakterisierung. Viele neue Observatorien stehen vor der Inbetriebnahme. Diese werden dazu beitragen, weitere in ihren Scheiben eingebettete Protoplaneten zu entdecken. Auch Vorhersagen aus Computermodellen werden immer ausgefeilter.
Der Vergleich zwischen diesen theoretischen Modellen und Beobachtungen bringt uns dem Verständnis der Ursprünge unseres Sonnensystems immer näher.
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