Astronomer har utvecklat den hittills mest realistiska modellen för planetbildning i binära stjärnsystem.

Forskarna, från University of Cambridge och Max Planck Institute for Extra-terrestrial Physics, har visat hur exoplaneter i binära stjärnsystem – som "Tatooine"-planeterna som upptäckts av NASA:s rymdteleskop Kepler – kom till utan att förstöras i deras kaotiska födelsemiljö.

De studerade en typ av binärt system där den mindre medföljande stjärnan kretsar runt den större moderstjärnan ungefär en gång vart 100:e år – vår närmaste granne, Alfa centauri, är ett exempel på ett sådant system.

"Ett system som detta skulle motsvara en andra sol där Uranus är, vilket skulle ha fått vårt eget solsystem att se väldigt annorlunda ut, " sa medförfattaren Dr Roman Rafikov från Cambridges institution för tillämpad matematik och teoretisk fysik, som också är medlem vid Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey.

Rafikov och hans medförfattare Dr Kedron Silsbee från Max Planck Institute for Extra-terrestrial Physics fann att för att planeter skulle bildas i dessa system, planetesimalerna – planetariska byggstenar som kretsar runt en ung stjärna – måste börja med minst 10 kilometer i diameter, och skivan av damm och is och gas som omger stjärnan inom vilken planeterna bildas måste vara relativt cirkulär.

Forskningen, som publiceras i Astronomi och astrofysik , tar studiet av planetbildning i binärer till en ny nivå av realism och förklarar hur sådana planeter, av vilka ett antal har upptäckts, kunde ha bildats.

Planetbildningen tros börja i en protoplanetarisk skiva - gjord främst av väte, helium, och små partiklar av is och damm – som kretsar kring en ung stjärna. Enligt den nuvarande ledande teorin om hur planeter bildas, känd som kärntillväxt, dammpartiklarna fastnar vid varandra, så småningom bildar större och större fasta kroppar. Om processen avbryts tidigt, resultatet kan bli en stenig jordliknande planet. Om planeten växer sig större än jorden, då är dess gravitation tillräcklig för att fånga in en stor mängd gas från skivan, leder till bildandet av en gasjätte som Jupiter.

"Denna teori är vettig för planetsystem som bildas runt en enda stjärna, men planetbildning i binära system är mer komplicerad, för att sällskapsstjärnan fungerar som en gigantisk äggvisp, dynamiskt spännande den protoplanetära skivan, sa Rafikov.

"I ett system med en enda stjärna rör sig partiklarna i skivan med låga hastigheter, så att de lätt håller ihop när de kolliderar, låta dem växa, ", sa Silsbee. "Men på grund av gravitationseffekten av följeslagarstjärnan i ett binärt system, de fasta partiklarna där kolliderar med varandra med mycket högre hastighet. Så, när de kolliderar, de förstör varandra."

Många exoplaneter har upptäckts i binära system, så frågan är hur de kom dit. Vissa astronomer har till och med föreslagit att dessa planeter kanske svävade i det interstellära rymden och sögs in av gravitationen hos en binär, till exempel.

Rafikov och Silsbee genomförde en serie simuleringar för att hjälpa till att lösa detta mysterium. De utvecklade en detaljerad matematisk modell av planettillväxt i en binär som använder realistiska fysiska indata och redogör för processer som ofta förbises, såsom gravitationseffekten av gasskivan på planetesimals rörelse inom den.

"Skivan är känd för att direkt påverka planetesimalerna genom gasmotstånd, agerar som en slags vind, " sa Silsbee. "För några år sedan, vi insåg att förutom gasmotståndet, gravitationen av själva skivan förändrar dramatiskt dynamiken hos planetesimalerna, i vissa fall tillåter planeter att bildas även trots gravitationsstörningar på grund av stjärnkompanjonen."

"Modellen vi har byggt sammanför detta arbete, samt annat tidigare arbete, att testa teorierna om planetbildning, sa Rafikov.

Deras modell fann att planeter kan bildas i binära system som Alpha Centauri, förutsatt att planetesimalerna börjar med en storlek på minst 10 kilometer, och att själva protoplanetskivan är nära cirkulär, utan större oegentligheter. När dessa villkor är uppfyllda, planetesimalerna i vissa delar av skivan rör sig så långsamt i förhållande till varandra att de håller ihop istället för att förstöra varandra.

Dessa fynd ger stöd till en speciell mekanism för planetesimal bildning, kallad strömningsinstabilitet, vara en integrerad del av planetbildningsprocessen. Denna instabilitet är en kollektiv effekt, involverar många fasta partiklar i närvaro av gas, som är kapabel att koncentrera dammkorn i stora småsten till stenblock för att producera några stora planetesimaler, som skulle överleva de flesta kollisioner.

Resultaten av detta arbete ger viktiga insikter för teorier om planetbildning runt både dubbel- och enstaka stjärnor, samt för hydrodynamiska simuleringar av protoplanetära skivor i binärer. I framtiden, modellen kan också användas för att förklara ursprunget till "Tatooine"-planeterna – exoplaneter som kretsar kring båda komponenterna i en binär – av vilka ett dussintal har identifierats av NASA:s Kepler-rymdteleskop.