När ett ungt solsystem kommer igång är det lite mer än en ung stjärna och en roterande skiva av skräp. Accepterat tänkande säger att det virvlande skräpet sopas upp i planetbildning. Men en ny studie säger att mycket av ämnet i skivan kan möta ett annat öde.

Det kanske inte har äran att bli en del av en trevlig stabil planet, kretsar lugnt och tillförlitligt runt sin värdstjärna. Istället, det är helt enkelt kasserat. Det kastas ut ur de unga, stillbildande stjärnsystem för att tillbringa sin existens som ett interstellärt objekt eller som en oseriös planet.

Studien kommer från Avi Loeb och Amir Siraj. Loeb och Siraj är båda från Center for Astrophysics (CfA) vid Harvard och har samarbetat inom forskning tidigare. Deras nya studie har titeln "Preliminära bevis för att protoplanetära skivor stöter ut mer massa än de behåller." Det är tillgängligt på pre-print-webbplatsen arxiv.org och har ännu inte granskats av experter.

Loeb och Siraj pekar på förekomsten av interstellära objekt som "Oumuamua och 2I/Borisov för att göra sin talan. Hittills, det finns inga avgörande bevis för ursprunget till dessa föremål och deras bröder. Forskare har kommit på olika ursprung, och har lagt fram bevis, men hittills, det finns ingen konsensus. "Oumuamua kan vara ett interstellärt mörkt väteisberg, ett föremål som liknar Pluto, eller till och med en typ av interstellär "dammkanin". Och kometen 2l/Borisov är sannolikt en skurk interstellär komet, den första vi har observerat.

Stjärnmassbudgetar visar att varken exo-Oort-moln eller protoplanetära skivor kan ge tillräckligt med massa för att förklara interstellära objekt och den oseriösa planetpopulationen. Så kanske våra stjärnmassbudgetar är fel? Kanske slängs huvuddelen av materialet i protoplanetära skivor ut och blir interstellära objekt som "Oumuamua, 2I/Borisov, och oseriösa planeter, med några av dessa planeter som är många gånger större än jorden.

Mycket av artikeln är baserad på vetenskapliga uppskattningar, och mycket av det är preliminärt. Författarna gör det tydligt i tidningens titel. Forskare har ännu inte en klar förståelse för hur många interstellära objekt och oseriösa planeter det finns. Men någonstans måste man börja, och detta papper är ett slags utgångspunkt.

Deras tidning öppnas med, "Om interstellära objekt har sitt ursprung i protoplanetära skivor, de kan användas för att kalibrera den del av massan som sådana skivor matar ut." Därifrån gräver de djupare.

"Ursprunget till interstellära objekt är ett olöst mysterium, " skriver de. "Varken exo-Oort-moln eller protoplanetära skivor är kapabla att fylla den massbudget som krävs för att producera den antagna interstellära objektpopulationen." Det lämnar bara två breda möjligheter för deras ursprung. Den ena är olika stjärnmassbudgetar, vilket kan vara osannolikt. Den andra är olika överlevnadssannolikheter för interstellära objekt över stora avstånd och tidsskalor.

Denna ingress ställer upp forskarnas huvudfråga:"Hur mycket massa krävs per stjärna för att producera interstellära objekt?"

Det första hindret i vägen för att besvara den frågan är det faktum att vi egentligen bara vet om två interstellära objekt:"Oumuamua, som upptäcktes 2017, och kometen 2I/Borisov, som upptäcktes 2019. Och forskare har bara observerat uppskattningar för deras storlekar. "Oumuamua beräknas vara mellan 20 och 200 meter, och Borisovs kärna beräknas vara mellan 0,4 till 1 km. Det finns också ett tredje potentiellt interstellärt objekt som heter CNEOS 2014-01-08, men dess status som ett interstellärt objekt är inte bekräftad.

Vi har bara uppskattningar av hur många av dessa interstellära objekt det finns, inklusive oseriösa planeter. För objekt som "Oumuamua och Borisov, uppskattningen är någonstans runt 9, 000 per stjärna, medan det för steniga oseriösa planeter är ungefär dubbelt så stora som jorden, det är mellan cirka fem till 10 per stjärna. (Vissa uppskattningar säger att det finns färre, bara två per stjärna.)

Forskarna tog vilken data det finns, såväl som uppskattningarna, och körde en simulering. Simuleringen tog upp deras huvudfråga:"Med tanke på storlekarna och mängderna av kända interstellära objekt, hur mycket massa krävs, per stjärna, att producera en sådan befolkning?"

För varje uppskattning av storlek och överflöd för interstellära objekt, paret körde Monte Carlo-simuleringar. Resultaten?

Siraj och Loeb fann att exo-Oort-moln inte kan innehålla tillräckligt med massa för att vara källan till de antagna populationerna av interstellära objekt och oseriösa planeter. Paret presenterar sina beräkningar i tidningen och säger sedan att "Som ett resultat, Oorts moln av stjärnor är osannolika källor till interstellära objekt."

Nästa, de betraktar protoplanetära skivor. Deras beräkningar presenteras i detalj i deras uppsats och är värda att titta närmare på för dem som har ett djupare intresse för denna fråga. Men slutresultatet är att det kan ta en större andel av värdstjärnans massa än vad man tidigare trott för att ta hänsyn till den antagna populationen av interstellära objekt som är större än "Oumuamua". Den primära implikationen av dessa resultat är att mängden massa som behövs för att bilda interstellära objekt. objekt större än "Oumuamua är en betydande del av värdstjärnans massa, mellan 2 % och 50 %."

I bakgrunden av alla Loebs och Sirajs arbete finns något som kallas modellen för minimimassasolnebulosan (MMSN). MMSN-modellen beskriver sammansättningen av materialet i vårt solsystem som behövs för att ta hänsyn till bildningen av planeterna, och asteroider, kretsar runt solen. MMSN visar att, med tanke på solens metallicitet, ungefär 1 % av solens massa behövdes för att bilda planeterna.

Författarnas beräkningar och simuleringar visar att det krävs en väsentligt större del av en stjärnas massa för att ta hänsyn till populationen av "Oumuamua-liknande objekt". Den primära implikationen av dessa resultat är att mängden massa som behövs för att bilda interstellära objekt som är större än "Oumuamua är en betydande del av värdstjärnans massa, mellan 2 % och 50 %."

Om du tror att det är ett ganska stort utbud, Du har rätt. Men vad deras arbete åstadkommer är en hårdare begränsning av vår förståelse av bildandet av planetsystem. "Dessa resultat tyder på en mycket effektiv väg för att omvandla protostellär materia till ~ 0,1 km planetesimaler och för att kasta ut dem från sina moderstjärnor, och ändrar paradigmet angående observationsbegränsningar på planetsystembildningsprocessen."

Men det som kan vara mest intressant är den potentiella slutsatsen. Unga solsystem kan skjuta ut mer massa som interstellära objekt och oseriösa planeter än vad de behåller.

"Varken massbudgeten för solsystemets protoplanetariska skiva eller de observerade protoplanetära eller skräpskivorna runt andra stjärnor kunde ge tillräckligt med material för bildandet av interstellära objekt, " skriver Siraj och Loeb i sin sammanfattning.

Paret avslutar sin uppsats med att nämna hur dessa objekt kunde kastas ut från deras värdsystem. Men det är till stor del ett slags sidofält. Forskarparet är mer intresserade av hur detta förändrar vår förståelse av solsystemets bildande.

De påpekar att det kommande Vera Rubin Survey Telescope potentiellt kan hitta många fler interstellära objekt, eftersom Vera Rubin kommer att utmärka sig när det gäller att upptäcka övergående fenomen. Denna studie är begränsad av en liten urvalsstorlek på endast två, eller möjliga tre, interstellära objekt. När vi väl har en större provstorlek, vi kommer att veta mycket mer.

"Ursprunget till interstellära objekt kan härledas genom deras hastighetsfördelning, när ett tillräckligt antal av dem har upptäckts, " skriver författarna.