Detaljerade simuleringar av planetbildning avslöjar hur små dammkorn förvandlas till gigantiska planeter och kan kasta ljus över var man kan hitta nya jordliknande världar.

Forskare har en teori om att planeter bildas från roterande gasskivor som omger nybildade stjärnor, känd som proto-planetära skivor. Föremål i småstensstorlek i dessa skivor klumpar sig sedan ihop för att bilda kärnor av blivande planeter.

Professor Anders Johansen från Lunds universitet, har gått ner till nivån av atomkärnor och molekyler för att försöka räkna ut hur kosmiska dammpartiklar håller ihop i småsten och sedan förvandlas till babyplaneter, känd som planetesimals.

"Planetbildning sker när dessa dammpartiklar kolliderar, och de växer till större och större storlekar, " sa han. "Denna tillväxt tar oss sedan från mikrometer, ända upp till 10, 000 kilometer eller så."

En ledtråd till hur detta stoft formas till småsten kan hittas på jorden i meteoriter – bitar av asteroider som är överblivna från solsystemets bildande.

"Det finns ett mysterium där, "Sa professor Johansen." Om du tittar inuti en asteroid, du hittar millimeterstora småsten, vilket är bra. Men problemet med dessa småsten är att de inte är vad vi förväntar oss att de ska vara. Vi förväntar oss att de är fluffiga dammaggregat, lite som om du har en sandlåda efter det regnar, och du kan plocka upp en bit uttorkad sand som är mycket ömtålig, " han sa.

Istället, småstenarna är sfäriska och hårda, som om de har värmts och kylts - liknande föremål som har träffats av blixtnedslag.

"Blixtnedslag sker när åskmoln laddar ur sin elektriska laddning till marken, ", sade prof. Johansen. "Denna urladdning är mycket lik den chock du upplever från den statiska elektriciteten när du sätter på en bygel."

Professor Johansen teoretiserade att det måste finnas en mekanism under planetbildning som skapar positivt och negativt laddade partiklar, och han och hans team undersökte vad det var.

"Medan ett åskmoln uppnår en laddningsskillnad mellan topp och botten genom fallande hagelpartiklar, vi fann att i den protoplanetära skivan är sönderfallet av ett radioaktivt element som kallas Aluminium-26 mycket effektivt för att ladda dammmoln, " han sa.

Kemisk sammansättning

Fyndet var en del av ett projekt som heter PLANETESYS, som använder datasimuleringar för att replikera de fysiska processer som äger rum när planeter bildas - hela vägen från damm till ett planetsystem. Den innehåller detaljer om den kemiska sammansättningen av varje sten.

En sak som prof. Johansen kan undersöka genom att titta på denna kemiska sammansättning är hur planeter samlar vatten – en viktig ingrediens för liv.

"En uppenbar fråga är, "Hur mycket vatten får en planet?" Vi kan börja spekulera om det är normalt att få jordens mängd vatten, om det är mycket vatten eller lite. Men du kanske också kan få för mycket vatten, som kan vara bra för livet men inte bra för civilisationer, " han sa.

Dr Bertram Bitsch från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, säger att att förstå mer om hur planeter uppstår skulle hjälpa till att identifiera potentiellt beboeliga planeter på andra håll i universum.

"Om du förstår mer (om) bildningsprocessen för hur vi kan skapa ett system som solsystemet, då kan vi kanske göra förutsägelser (om) hur ofta dessa system skulle existera och hur vanligt det skulle vara att hitta jordliknande planeter (som kretsar kring) andra stjärnor."

"Sedan, om vi ser en viss sammansättning av systemet ... som kan tillåta oss att se att det kan finnas beboeliga planeter i dessa system. "

Recept

Dr. Bitsch tror att han kanske känner till receptet för hur solsystem hamnar med jordliknande planeter. Med en noggrann blandning av förhållanden, varifrån babyplaneter bildas, deras kemiska sammansättning och gravitationsinteraktioner, han kan försöka modellera förutsättningarna för att generera solsystem med beboeliga planeter.

Men att ta reda på det rätta receptet kräver att man arbetar baklänges efter att ha kört många simuleringar med komplex superdatorkraft, vilket han gör i ett projekt som heter PAMDORA som pågår till 2022.

"Jag vill använda datorsimuleringar … där vi tittar på gravitationsinteraktionerna mellan flera kroppar för att modellera stadierna från planetesimaler hela vägen till fullt formade planetsystem med jordiska planeter, superjordar, och gasjättar, " han sa.

I hans simuleringar Dr Bitsch tittar på hur småsten i de virvlande skivorna formas till planetariska embryon i månstorlek, som sedan utvecklas till fullformade planeter.

Att förändra de olika mekanismerna i arbetet kan påverka vilka typer av planeter ett solsystem kan hamna med.

"Det finns många olika vägar som kan hända, och många olika parametrar som kan påverka resultatet av simuleringarna, " sa han. "T.ex. hur stora är stenarna, hur många skulle det vara, och var skulle dina ursprungliga planetesimaler bildas som sedan skulle börja bilda protoplaneter?"

För att se vilka variabler som betyder mest, han kör hundratals datorsimuleringar som varar i veckor i taget och kan simulera tiotals miljoner år för att modellera de mycket kaotiska mötena med flera objekt.

För jordliknande planeter, en nyckelfaktor är hur nära babyplaneter bildar sin hemstjärna, eftersom skillnaden i temperatur kan avgöra om planeter ackumulerar vatten direkt under gasskivans skede eller från en sen vattenleverans från asteroider eller kometer, som för vår egen jord.

"En sak som redan finns i koden är att titta på sammansättningen av superjordar. Till exempel, är de steniga eller domineras av vattenis? "sa Dr Bitsch.

Superjordar, som är planeter som jorden, men kanske två till tio gånger mer massiv, finns inte i vårt solsystem, men är relativt vanliga bland andra stjärnor.

"Massor av superjordar har hittats och upptäckts, och frågan är vad de är gjorda av? Detta kan ge oss svaret på var de har bildats."