Astronomen haben das bisher realistischste Modell der Planetenentstehung in Doppelsternsystemen entwickelt.
Forscher der University of Cambridge und des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben gezeigt, wie Exoplaneten in Doppelsternsystemen, die vom Weltraumteleskop Kepler entdeckt wurden, in einer chaotischen Geburtsumgebung ohne Zerstörung entstanden sind.
Sie untersuchten eine Art Doppelsternsystem, in dem etwa alle 100 Jahre ein kleinerer Begleitstern einen größeren Mutterstern umkreist - unser nächster Nachbar, Alpha Centauri, ist ein Beispiel für ein solches System.
„Ein solches System wäre das Äquivalent einer zweiten Sonne anstelle von Uranus, was unser Sonnensystem völlig anders machen würde“, sagte Co-Autor Roman Rafikov vom Cambridge Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics.
Er und sein Co-Autor Kidron Silsby vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik fanden heraus, dass Planetesimale – planetarische Bausteine, die sich um einen jungen Stern drehen – einen Durchmesser von mindestens 10 Kilometern haben müssen, um in diesen Systemen Planeten und eine Staubscheibe zu bilden , Eis und das den Stern umgebende Gas, in dem sich die Planeten bilden, sollten relativ rund sein.
Die Studie hebt das Studium der Planetenentstehung in Doppelsystemen auf eine neue Ebene des Realismus und erklärt, wie sich solche Planeten, von denen viele entdeckt wurden, gebildet haben könnten.
Es wird angenommen, dass die Planetenentstehung mit einer protoplanetaren Scheibe beginnt, die hauptsächlich aus Wasserstoff, Helium und winzigen Eis- und Staubpartikeln besteht und den jungen Stern umkreist. Nach der derzeit führenden Theorie der Planetenentstehung, der sogenannten Kernakkretion, kleben Staubpartikel aneinander und bilden schließlich immer größere Feststoffe.
Stoppt der Prozess vorzeitig, entsteht ein erdähnlicher Gesteinsplanet. Wenn der Planet größer als die Erde wird, reicht seine Schwerkraft aus, um eine große Menge Gas von der Scheibe einzufangen, was zur Bildung eines Gasriesen ähnlich dem Jupiter führt.
"Diese Theorie ist für Planetensysteme sinnvoll, die um einen einzelnen Stern herum gebildet werden, aber die Planetenbildung in Doppelsternen ist schwieriger, weil der Begleitstern wie ein riesiger Eierbesen wirkt und die protoplanetare Scheibe dynamisch mit Energie versorgt", sagen die Wissenschaftler.
„In einem Einzelsternsystem bewegen sich die Partikel in der Scheibe mit geringen Geschwindigkeiten, sodass sie bei Kollisionen leicht zusammenkleben und wachsen können. Aber aufgrund des gravitativen "Eischlag"-Effekts eines Begleitsterns in einem Doppelsternsystem kollidieren die festen Teilchen mit einer viel höheren Geschwindigkeit miteinander. Daher zerstören sie sich gegenseitig, wenn sie kollidieren."
Viele Exoplaneten wurden in Doppelsternsystemen gesehen, daher stellte sich immer die Frage, wie sie sich dort gebildet haben. Einige Astronomen haben sogar vermutet, dass diese Planeten vielleicht im interstellaren Raum schwebten und beispielsweise von der Schwerkraft des Doppelsternsystems absorbiert wurden.
Wissenschaftler führten eine Reihe von Simulationen durch, um dieses Rätsel zu lösen. Sie entwickelten ein detailliertes mathematisches Modell für das Wachstum von Planeten in einem Binärsystem, das realistische physikalische Daten verwendet und oft übersehene Prozesse berücksichtigt, wie etwa die Gravitationswirkung einer Gasscheibe auf die Bewegung von Planetesimalen darin.
"Die Scheibe ist dafür bekannt, Planetesimale durch Gaswiderstand direkt zu beeinflussen und wie eine Art Wind zu wirken", sagen die Forscher. „Vor einigen Jahren haben wir festgestellt, dass neben dem Gaswiderstand auch die Gravitation der Scheibe selbst die Dynamik von Planetesimalen dramatisch verändert und es in einigen Fällen ermöglicht, dass sich Planeten sogar angesichts von Gravitationsstörungen, die durch den stellaren Begleiter verursacht werden, bilden können.“
Das Modell zeigte, dass sich in Doppelsternsystemen wie Alpha Centauri Planeten bilden können, vorausgesetzt, die Planetesimale sind anfangs mindestens 10 Kilometer groß und die protoplanetare Scheibe selbst ist nahezu rund, ohne gravierende Abweichungen. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, bewegen sich Planetesimale in bestimmten Teilen der Scheibe langsam genug relativ zueinander, um zusammenzukleben, anstatt sich gegenseitig zu zerstören.
Diese Daten unterstützen einen speziellen Mechanismus der Planetesimalbildung, der als Flussinstabilität bezeichnet wird und ein wesentlicher Bestandteil des Planetenbildungsprozesses ist. Diese Instabilität ist ein kollektiver Effekt, bei dem viele feste Partikel in der Gegenwart von Gas in Bewegung sind, das in der Lage ist, Staubpartikel in der Größe von Kieselsteinen bis hin zu Felsbrocken zu konzentrieren, um mehrere große Planetesimale zu erzeugen, die die meisten Kollisionen überleben.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wichtige Informationen für Theorien der Planetenentstehung um Doppel- und Einzelsterne sowie für die hydrodynamische Modellierung protoplanetarer Scheiben in Doppelsternsystemen.
In Zukunft kann dieses Modell verwendet werden, um den Ursprung der Planeten vom Tatooine-Typ zu erklären - Exoplaneten, die beide Komponenten des Doppelsternsystems umkreisen.
2021-07-28 14:36:42
Autor: Vitalii Babkin