Från en massiv skiva av gas och damm som roterar runt solen, jorden och de andra sju planeterna i vårt solsystem utvecklades en gång tillsammans med sina månar. Och detsamma måste ha hänt, forskare tror, för de tusentals extrasolära planeter som upptäckts under de senaste decennierna. För att få mer insikt, astrofysiker använder datorsimuleringar för att undersöka processerna i arbetet när planeter bildas från sådana protoplanetära skivor, såsom tillväxten av en planets massa samt bildandet av dess magnetfält. Fram till helt nyligen, dessa två processer – planetutveckling och magnetfältsbildning – har varit separata forskningsfält och simulerats i separata modeller. Men nu, Lucio Mayer, Professor i beräkningsastrofysik vid universitetet i Zürich och projektledare vid National Center of Competence in Research Planets, tillsammans med sina kollegor Hongping Deng, tidigare Ph.D. elev av Mayer, och Henrik Latter, Universitetslektor vid University of Cambridge, har framgångsrikt kombinerat båda processerna till en simulering för första gången. Resultaten har nu publicerats i Astrofysisk tidskrift .

Två modeller i en

Astrofysiker är medvetna om att den så kallade gravitationsinstabiliteten (GI) i en massiv, roterande materiaskiva spelar en avgörande roll i bildandet av planeter. Det får partiklar att "klumpa ihop sig" så att högdensitetsstrukturer som spiralarmar bildas. Från dessa klumpade strukturer, planeterna kunde ha byggts upp snabbt, under en period av "bara" hundratusentals år, eller ännu mindre. Dock, effekterna av magnetfältet under gravitationsinstabilitet har försummats som en studiepunkt, tills nu. Med hjälp av superdatorn "Piz Daint" vid Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano, dessa forskare har nu simulerat utvecklingen av den protoplanetära skivan både under påverkan av gravitationen och i närvaro av ett magnetfält, därigenom upptäcka en helt ny mekanism som kunde förklara tidigare oförklarade observationer.

En sådan oförklarad observation är att planeter i vårt solsystem idag roterar mycket långsammare än den protoplanetära skiva som de en gång måste ha kommit ifrån. Under bildandet av planeter, såväl som stjärnor och svarta hål, enorma mängder rörelsemängd måste förloras, men hur de tappade detta momentum har förblivit oklart. Detta så kallade vinkelmomentproblem är välkänt inom astrofysik. "Vår nya mekanism verkar kunna lösa och förklara detta mycket allmänna problem, säger Mayer.

Att uppfylla en vetenskaplig dröm

Att kombinera båda processerna i en simulering har varit en dröm för Mayer i många år. Dock, de underliggande fysiska processerna är komplexa, och deras representation i simuleringarna krävde sofistikerade koder och hög datorkraft. Även om uppfyllelsen av drömmen kom närmare och närmare med den stadiga ökningen av datorkraften hos superdatorer, det fanns inte tid för den matematisk-fysiska beskrivningen av de processer som krävs för att lösa problemet. Dock, tack vare stödet och kompetensen från Hongping Deng, som utvecklat en lämplig metod, drömmen kunde nu gå i uppfyllelse. Teamet experimenterade med denna nya numeriska teknik, utvecklat det vidare, och optimerade den för att göra bästa möjliga användning av prestandaförmågan hos "Piz Daint."

Specifikt, forskarna använde och förbättrade en så kallad hybrid mesh-partikelmetod för att beräkna magnetfältet, vätskedynamik och gravitation. I denna metod beräknas massan och tyngdkraften som utövas med hjälp av partiklar, som var och en representerar en del av systemet. Det termiska trycket och effekten av magnetfältet beräknas med ett slags virtuellt adaptivt nät konstruerat av partiklarna, som, enligt forskarna, möjliggör hög noggrannhet.

Den nyutvecklade metoden ledde till överraskande resultat gällande interaktionen mellan GI och magnetfältet. Det visades att spiralarmarna som bildas av gravitationen i den protoplanetära skivan fungerar som en dynamo, sträcka och stärka det magnetiska fröet. Som ett resultat, magnetfältet växer och blir starkare. På samma gång, denna process genererar mycket mer värme i den protoplanetära skivan än vad som tidigare antagits. Mest överraskande för forskarna, dock, var det faktum att dynamo tycks ha ett betydande inflytande på frågans motion. Dynamon trycker den kraftfullt både inåt, att samlas på stjärnan, och utåt, bort från disken. Detta innebär att skivan utvecklas mycket snabbare än tidigare teorier hade föreslagit.

Interaktion ökar accretion och genererar vindar

"Simuleringen visar att energin som genereras av interaktionen mellan det bildade magnetfältet och gravitationen verkar utåt och driver en vind som kastar ut materia från skivan, " säger Mayer. Detta skulle göra att 90 procent av massan går förlorad på mindre än en miljon år. "Om detta är sant, detta skulle vara en önskvärd förutsägelse, eftersom många av de protoplanetära skivorna som studerats med teleskop som är en miljon år gamla har ungefär 90 procent mindre massa än vad som förutspåtts av simuleringarna av skivbildningen hittills, " förklarar astrofysikern. I slutändan, energiuttaget leder till att materien kollapsar och tappar snurr. Forskarna hoppas nu kunna observera vindarna och utstötningen av materia i tidiga livsfaser av protoplanetära skivor med extremt kraftfulla teleskop som ALMA i Chile eller den kvadratkilometer som är under uppbyggnad.

Forskarna tror att genom sitt arbete, de har upptäckt en helt ny friktionsmekanism, genereras av interaktionen mellan magnetfält och GI, vilket avsevärt eroderar skivans rörelsemängd. "Tack vare den kraftfulla motorn av spiraldensitetsvågor, vår nya friktionsmekanism verkar ännu mer effektiv i områden med täta protoplanetära skivor där det finns färre laddade partiklar för att upprätthålla magnetfältet, " Deng säger. "Detta skiljer sig från alla andra tidigare föreslagna mekanismer, som inte kunde upprätthålla magnetfältet i sådana områden. "

Deng forskar nu vid University of Cambridge som SNF Fellow. Det nya syftet är att underbygga forskningsresultaten, till exempel genom att använda dem – även med andra forskargrupper – för simulering av olika kosmiska strukturer, som de första stora svarta hålen som bildas i universum i början av galaxbildningen.