Unga jätteplaneter föds av gas och damm. Forskare vid ETH Zürich och universiteten i Zürich och Bern simulerade olika scenarier som förlitar sig på datorkraften i Swiss National Supercomputing Center (CSCS) för att ta reda på hur de exakt bildas och utvecklas. De jämförde sina resultat med observationer och kunde bland annat visa en stor skillnad mellan de postulerade bildningsmekanismerna.

Astronomer ställde upp två teorier som förklarar hur gasformiga jätteplaneter som Jupiter eller Saturnus kan födas. En bildningsmekanism uppifrån och upp säger att först, en fast kärna aggregeras på ungefär tio gånger jordens storlek. "Sedan, denna kärna är massiv nog för att attrahera en betydande mängd gas och behålla den, "förklarar Judit Szulágyi, postdoktor vid ETH Zürich och medlem i schweiziska NCCR PlanetS. Den andra teorin är ett bildningsscenario uppifrån och ner:Här är den gasformiga skivan runt den unga stjärnan så massiv, att på grund av gasdammets självtyngdhet, spiralarmar bildas med klumpar inuti. Sedan, dessa klumpar kollapsar via sin egen gravitation direkt in i en gasformig planet, ungefär som hur stjärnor bildas. Den första mekanismen kallas "core-accretion, "den andra" diskinstabilitet. "I båda fallen en skiva bildas runt gasjättarna, kallade den cirkelplanetära skivan, som kommer att fungera som ett födselbo för satelliter att bilda.

För att ta reda på vilken mekanism som faktiskt sker i universum, Judit Szulágyi och Lucio Mayer, Professor vid universitetet i Zürich, simulerade scenarierna på Piz Daint superdator vid Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano. "Vi pressade våra simuleringar till gränserna när det gäller komplexiteten i fysiken som läggs till modellerna, "förklarar Judit Szulágyi:" Och vi uppnådde högre upplösning än någon tidigare. "

I sina studier publicerade i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , fann forskarna en stor skillnad mellan de två bildningsmekanismerna:I diskinstabilitetsscenariot, gasen i planetens närhet förblev mycket kall, cirka 50 Kelvin, medan i kärnan för tillskott upphettades den planetära skivan till flera hundra Kelvin. "Diskinstabilitetssimuleringarna är de första som kan lösa den planeten runt omkring flera protoplaneter, med tiotals miljoner upplösningselement i beräkningsdomänen. Vi utnyttjade Piz Daint för att påskynda beräkningarna med hjälp av grafikprocessorer, "tillägger Mayer.

Denna enorma temperaturskillnad är lätt att observera. "När astronomer tittar på nya planetsystem, att bara mäta temperaturerna i planetens närhet kommer att räcka för att berätta vilken formationsmekanism som byggde den givna planeten, "förklarar Judit Szulágyi. En första jämförelse av beräknad och observerad data tycks gynna kärnans ackretionsteori. En annan skillnad som förväntades visade sig inte i datasimuleringen. Innan, astrofysik trodde att den planetära disken signifikant skiljer sig i massa i de två bildningsscenarierna. "Vi visade att detta inte är sant, "säger PlanetS -medlemmen.

Lysande chockfront upptäckt

När det gäller storleken på den nyfödda planeten, observationer kan vara vilseledande eftersom astrofysikern hittade i en andra studie tillsammans med Christoph Mordasini, Professor vid universitetet i Bern. I kärnans ackrediteringsmodell hade forskarna en närmare titt på skivan runt planeter med massor tre till tio gånger större än Jupiters. Datorsimuleringarna visade att gas som faller på skivan från utsidan värms upp och skapar en mycket lysande chockfront på skivans övre lager. Detta förändrar avsevärt ungdoms observationsutseende, bildar planeter.

"När vi ser en lysande plats inuti en planetisk skiva, vi kan inte vara säkra på om vi ser planetens ljusstyrka, eller också den omgivande skivljusstyrkan, "säger Judit Szulágyi. Detta kan leda till en överskattning av planetens massa upp till fyra gånger." Så kanske har en observerad planet bara samma massa som Saturnus istället för några Jupitermassor, "avslutar forskaren.

I deras simuleringar, astrofysikerna efterliknade bildningsprocesserna med hjälp av de grundläggande fysiska lagarna som gravitation eller gasens hydrodynamiska ekvationer. På grund av komplexiteten hos de fysiska modellerna, simuleringarna var mycket tidskrävande, även på Europas snabbaste superdator på CSCS:"I storleksordningen nio månaders körtid på hundratals till flera tusen datorkärnor" uppskattar Judit Szulágyi:"Det betyder att det på en datakärna skulle ha tagit längre tid än hela min livstid."

Men det är fortfarande utmaningar som väntar. Simuleringar av diskinstabilitet täcker fortfarande inte en lång tidsperiod. Det är möjligt att efter att protoplaneten har kollapsat till Jupiters densitet kommer disken att värmas upp mer som i kärna-ackretion. Likaså, den hetare gasen som finns i kärnanslutningsfallet skulle vara delvis joniserad, en gynnsam miljö för effekter av magnetfält, helt försummat hittills. Att köra ännu dyrare simuleringar med en rikare beskrivning av fysiken blir nästa steg.