Jätteplaneter som utvecklades tidigt i ett stjärnsystems liv skulle kunna lösa ett mysterium om varför spiralstrukturer inte observeras i unga protoplanetära skivor, enligt en ny studie av astronomer vid University of Warwick.

Forskningen, publiceras idag i Astrofysiska tidskriftsbrev och del med stöd av Royal Society, ger en förklaring till bristen på spiralstruktur som astronomer förväntar sig att se i protoplanetära skivor runt unga stjärnor, vilket också tyder på att forskare kan behöva omvärdera hur snabbt planeter bildas under en skivas livscykel.

Protoplanetära skivor är födelseplatser för planeter, som hyser materialet som så småningom kommer att smälta samman till den samling planeter som vi ser i universum. När dessa skivor är unga bildar de spiralstrukturer, med allt damm och material som dras in i täta armar av den massiva gravitationseffekten av skivan som snurrar. En liknande effekt inträffar på galaktisk nivå, därför ser vi spiralgalaxer som vår egen, Vintergatan.

Under loppet av tre till tio miljoner år samlas material från skivan för att bilda planeter, faller på stjärnan den kretsar kring eller sprids bara ut i rymden genom vindar som kommer från skivan. När en skiva är ung är den självgraviterande, och materialet i det bildar en spiralstruktur som det förlorar när det blir gravitationsstabilt. Unga planeter som utvecklas skär sedan ut luckor i skivan när de konsumerar och sprider material på sin väg, vilket resulterar i de "ring och gap"-egenskaper som astronomer oftast ser i protoplanetära skivor.

Men astronomer har kämpat för att redogöra för observationer av unga protoplanetära skivor som inte visar några tecken på spiraler, men istället ser ut som en mycket äldre skiva med ring- och gapstruktur. För att ge en förklaring, Sahl Rowther och Dr. Farzana Meru från University of Warwick Department of Physics genomförde datorsimuleringar av massiva planeter i unga skivor för att avgöra vad som skulle hända när de interagerade.

De fann att en gigantisk planet, ungefär tre gånger Jupiters massa, att migrera från skivans yttre regioner mot dess stjärna skulle orsaka tillräckligt med störningar för att utplåna skivans spiralstruktur med resultat ungefär som de skivor som observerats av astronomer. Dock, för att vara närvarande i skivans spiralstadium måste dessa planeter bildas snabbt och tidigt i skivans livscykel.

Huvudförfattare Sahl Rowther, Ph.D. student vid institutionen för fysik, sa:"När skivorna är unga, vi förväntar oss att de är massiva med spiralstrukturer. Men det ser vi inte i observationer.

"Våra simuleringar tyder på att en massiv planet i en av dessa unga skivor faktiskt kan förkorta tiden i den självgraviterande spiralfasen till en som ser mer ut som några av de observationer som astronomer ser.

Medförfattare Dr. Farzana Meru från Institutionen för fysik tillägger:"Om några av dessa skivor som astronomer observerar nyligen var självgraviterande så tyder det på att de bildade en planet medan skivan fortfarande var ung. Den självgraviterande fasen för en protoplanetskivan är mycket mindre än ungefär en halv miljon år, vilket betyder att planeten måste ha bildats otroligt snabbt.

"Oavsett vilken mekanism som förklarar hur dessa planeter bildas, detta betyder förmodligen att vi måste tänka på att planeter bildas mycket snabbare än vad vi ursprungligen trodde."

Deras simuleringar modellerade en gigantisk planet i de yttre regionerna av en protoplanetär skiva när den migrerar inåt, en process som astronomer förväntar sig att se när vridmomentet trycker planeten inåt när den byter rörelsemängd med gasen i skivan. Detta betyder också att planeten skulle interagera med och störa en stor del av skivan och vara tillräckligt massiv för att öppna ett gap i gasen, vilket resulterar i ring- och spaltstrukturen.

Sahl Rowther tillägger:"Detta är spännande med tanke på de okända som är förknippade med massorna av observerade skivor. Om massiva skivor med ring- och gapstrukturer är vanliga, det skulle kunna ge fler vägar för att förklara skivarkitekturer.

"Våra resultat tyder på att det till och med kan vara möjligt att se tecken på dessa gigantiska planeter, med rätt förutsättningar och teknik. Nästa steg i vår forskning kommer att vara att fastställa vilka dessa villkor är, för att hjälpa astronomer att försöka fastställa förekomsten av dessa planeter."

Dr Meru tillägger:"Det är fullt möjligt att den spiralstrukturen utplånas, låt dig inte luras när du tittar på en skiva. Det kan fortfarande vara ganska stort, det är bara det att en jätteplanet har fått den att förlora sina spiraler.

"Vi har dessa fantastiska bilder av protoplanetära skivor och det som verkligen är spännande med dem är deras struktur. Under de senaste åren har teleskop blivit mycket kraftfulla och vi kan se funktioner som luckor och ringar. Med datorsimuleringar som vår, vi kan nu försöka förstå om några av de processer som vi förväntar oss ska hända, som planeter som vandrar i unga skivor, kan leda till den typ av bilder som observatörer ser. Detta är möjligt med kombinationen av kraftfulla teleskop och superdatorer."