Die Theorie, wie sich Planeten bilden, war für Wissenschaftler ein dauerhaftes Rätsel. Während Astronomen ein ziemlich gutes Verständnis dafür haben, woher Planetensysteme kommen - dh protoplanetare Staub- und Gasscheiben um neue Sterne (auch bekannt als „Nebular Theory“) -, ein umfassendes Verständnis dafür, wie diese Scheiben schließlich zu Objekten werden, die groß genug sind, um unter ihren eigenen zusammenzubrechen Die Schwerkraft ist schwer fassbar geblieben.
Dank einer neuen Studie eines Forscherteams aus Frankreich, Australien und Großbritannien scheint das fehlende Puzzleteil endlich gefunden worden zu sein. Mithilfe einer Reihe von Simulationen haben diese Forscher gezeigt, wie „Staubfallen“ - d. H. Regionen, in denen sich kieselgroße Fragmente sammeln und zusammenkleben könnten - häufig genug sind, um die Bildung von Planetesimalen zu ermöglichen.
Ihre Studie mit dem Titel „Selbstinduzierte Staubfallen: Überwindung von Planetenbildungsbarrieren“ erschien kürzlich in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.Unter der Leitung von Dr. Jean-Francois Gonzalez vom Lyon Astrophysics Research Center (CRAL) in Frankreich untersuchte das Team das problematische Mittelstadium der Planetenbildung, das Wissenschaftler geplagt hat.
Bis vor kurzem war der Prozess, bei dem protoplanetare Staub- und Gasscheiben zu haushaltsgroßen Objekten aggregieren, und der Prozess, bei dem Planetesimale (Objekte mit einem Durchmesser von 100 Metern oder mehr) Planetenkerne bilden, gut bekannt. Der Prozess, der diese beiden verbindet - wo Kieselsteine zu Planetesimalen zusammenkommen - ist jedoch unbekannt geblieben.
Ein Teil des Problems war die Tatsache, dass das Sonnensystem, das seit Jahrhunderten unser einziger Bezugsrahmen ist, vor Milliarden von Jahren entstanden ist. Dank der jüngsten Entdeckungen (3453 bestätigte Exoplaneten und Zählungen) hatten Astronomen jedoch viele Möglichkeiten, andere Systeme zu untersuchen, die sich in verschiedenen Stadien der Bildung befinden. Wie Dr. Gonzalez in einer Pressemitteilung der Royal Astronomical Society erklärte:
"Bis jetzt haben wir uns bemüht zu erklären, wie Kieselsteine zusammenkommen können, um Planeten zu bilden, und dennoch haben wir jetzt eine große Anzahl von Planeten in der Umlaufbahn um andere Sterne entdeckt. Das brachte uns dazu, darüber nachzudenken, wie wir dieses Rätsel lösen können. “
In der Vergangenheit glaubten Astronomen, dass „Staubfallen“ - die für die Planetenbildung von wesentlicher Bedeutung sind - nur in bestimmten Umgebungen existieren könnten. In diesen Hochdruckregionen werden große Staubkörner bis zu dem Punkt verlangsamt, an dem sie zusammenkommen können. Diese Regionen sind äußerst wichtig, da sie den beiden Haupthindernissen für die Planetenbildung entgegenwirken, nämlich Luftwiderstand und Hochgeschwindigkeitskollisionen.
Der Luftwiderstand wird durch den Effekt verursacht, den Gas auf Staubkörner hat, wodurch diese langsamer werden und schließlich in den Zentralstern driften (wo sie verbraucht werden). Bei Hochgeschwindigkeitskollisionen schlagen große Kieselsteine ineinander und brechen auseinander, wodurch der Aggregationsprozess umgekehrt wird. Staubfallen sind daher erforderlich, um sicherzustellen, dass Staubkörner gerade so verlangsamt werden, dass sie sich bei einer Kollision nicht gegenseitig vernichten.
Um zu sehen, wie häufig diese Staubfallen waren, führten Dr. Gonzalez und seine Kollegen eine Reihe von Computersimulationen durch, in denen berücksichtigt wurde, wie Staub in einer protoplanetaren Scheibe einen Widerstand auf die Gaskomponente ausüben kann - ein Prozess, der als „aerodynamische Widerstandsrückreaktion“ bezeichnet wird ”. Während Gas in besonders staubigen Ringen typischerweise einen störenden Einfluss auf Staubpartikel hat, kann das Gegenteil der Fall sein.
Dieser Effekt wurde von Astronomen bis vor kurzem weitgehend ignoriert, da er im Allgemeinen vernachlässigbar ist. Wie das Team feststellte, ist dies ein wichtiger Faktor bei protoplanetaren Festplatten, die für ihre unglaublich staubigen Umgebungen bekannt sind. In diesem Szenario bewirkt die Rückreaktion, dass sich nach innen bewegende Staubkörner verlangsamen und Gas nach außen drücken, wo es Hochdruckbereiche bildet - d. H. "Staubfallen".
Nachdem sie diese Effekte berücksichtigt hatten, zeigten ihre Simulationen, wie sich Planeten in drei Grundstadien bilden. In der ersten Phase wachsen die Staubkörner an Größe und bewegen sich nach innen in Richtung des Zentralsterns. Im zweiten Fall sammeln sich die jetzt kieselgroßen größeren Körner an und verlangsamen sich. In der dritten und letzten Stufe wird das Gas durch die Rückreaktion nach außen gedrückt, wodurch die Staubfallenbereiche entstehen, in denen es sich ansammelt.
Diese Fallen ermöglichen es dann den Kieselsteinen, sich zu Planetesimalen und schließlich zu Planetengrößen zu aggregieren. Mit diesem Modell haben Astronomen nun eine solide Vorstellung davon, wie sich die Planetenbildung von staubigen Scheiben zu Planetesimalen entwickelt. Neben der Lösung einer Schlüsselfrage zur Entstehung des Sonnensystems könnte sich diese Art der Forschung als entscheidend für die Untersuchung von Exoplaneten erweisen.
Boden- und Weltraumobservatorien haben bereits das Vorhandensein dunkler und heller Ringe festgestellt, die sich in protoplanetaren Scheiben um entfernte Sterne bilden - von denen angenommen wird, dass sie Staubfallen sind. Diese Systeme könnten Astronomen die Möglichkeit bieten, dieses neue Modell zu testen, da sie beobachten, wie Planeten langsam zusammenkommen. Gonzalez zeigte an:
„Wir waren begeistert zu entdecken, dass sich mit den richtigen Zutaten in einer Vielzahl von Umgebungen spontan Staubfallen bilden können. Dies ist eine einfache und robuste Lösung für ein langjähriges Problem bei der Planetenbildung. “
