En ny modell som ger upphov till unga planetsystem erbjuder en ny lösning på ett pussel som har irriterat astronomer ända sedan ny detekteringsteknik och planetjaktuppdrag som NASA:s rymdteleskop Kepler har avslöjat tusentals planeter som kretsar runt andra stjärnor:medan majoriteten av dessa exoplaneter faller in i en kategori som kallas superjordar - kroppar med en massa någonstans mellan jorden och Neptunus - de flesta av de egenskaper som observerades i begynnande planetsystem ansågs kräva mycket mer massiva planeter, rivaliserande eller dvärgande Jupiter, gasjätten i vårt solsystem.

Med andra ord, de observerade egenskaperna hos många planetsystem i deras tidiga bildningsstadier verkade inte matcha den typ av exoplaneter som utgör huvuddelen av planetbefolkningen i vår galax.

"Vi föreslår ett scenario som tidigare ansågs omöjligt:​​hur en superjord kan skära ut flera luckor i skivor, " säger Ruobing Dong, Bart J. Bok postdoktor vid University of Arizonas Steward Observatory och huvudförfattare till studien, kommer snart att publiceras i Astrofysisk tidskrift . "För första gången, vi kan förena de mystiska skivegenskaperna vi observerar och populationen av planeter som oftast finns i vår galax."

Hur exakt planeter bildas är fortfarande en öppen fråga med ett antal utestående problem, enligt Dong.

"Kepler har hittat tusentals planeter, men de är alla väldigt gamla, kretsar runt stjärnor några miljarder år gamla, som vår sol, " förklarar han. "Man kan säga att vi tittar på de äldre i vår galax, men vi vet inte hur de föddes."

För att hitta svar, astronomer vänder sig till de platser där nya planeter för närvarande bildas:protoplanetära skivor – på sätt och vis, babysystrar i vårt solsystem.

Sådana skivor bildas när ett stort moln av interstellär gas och damm kondenserar under inverkan av gravitationen innan de kollapsar till en virvlande skiva. I mitten av den protoplanetära skivan lyser en ung stjärna, bara några miljoner år gammal. När mikroskopiska dammpartiklar smälter samman till sandkorn, och sandkorn håller ihop till småsten, och småsten hopar sig för att bli asteroider och i slutändan planeter, ett planetsystem ungefär som vårt solsystem föds.

"Dessa diskar är mycket kortlivade, " Dong förklarar. "Med tiden försvinner materialet, men vi vet inte exakt hur det går till. Vad vi vet är att vi ser skivor runt stjärnor som är 1 miljon år gamla, men vi ser dem inte runt stjärnor som är 10 miljoner år gamla."

I det mest troliga scenariot, mycket av skivans material samlas på stjärnan, en del blåses bort av stjärnstrålning och resten går till att bilda planeter.

Även om protoplanetära skivor har observerats i relativ närhet till jorden, det är fortfarande extremt svårt att urskilja några planeter som kan bildas inuti. Snarare, forskare har förlitat sig på egenskaper som luckor och ringar för att sluta sig till förekomsten av planeter.

"Bland förklaringarna till dessa ringar och luckor, de som involverar planeter är verkligen de mest spännande och drar till sig mest uppmärksamhet, " säger medförfattaren Shengtai Li, en forskare vid Los Alamos National Laboratory i Los Alamos, New Mexico. "När planeten kretsar runt stjärnan, argumentet lyder, den kan rensa en väg längs sin omloppsbana, vilket resulterar i den lucka vi ser."

Förutom att verkligheten är lite mer komplicerad, vilket framgår av två av de mest framträdande observationerna av protoplanetära skivor, som gjordes med ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array i Chile. ALMA är en sammansättning av radioantenner mellan 7 och 12 meter i diameter och numrerar 66 av dem när de är färdiga. Bilderna av HL Tau och TW Hydra, erhölls 2014 och 2016, respektive, har avslöjat de finaste detaljerna hittills i någon protoplanetär skiva, och de visar några funktioner som är svåra, om inte omöjligt, att förklara med nuvarande modeller av planetbildning, säger Dong.

"Bland luckorna i HL Tau och TW Hya som avslöjats av ALMA, två par av dem är extremt smala och mycket nära varandra, " förklarar han. "I konventionell teori, det är svårt för en planet att öppna sådana luckor i en skiva. De kan aldrig vara så smala och så nära varandra på grund av den inblandade fysiken."

När det gäller HL Tau och TW Hya, man skulle behöva åberopa två planeter vars banor kramar varandra väldigt tätt – ett scenario som inte skulle vara stabilt över tid och därför är osannolikt.

Medan tidigare modeller kunde förklara stora, enstaka luckor som tros tyda på planeter som rensar skräp och damm i deras väg, de misslyckades med att redogöra för de mer invecklade egenskaperna som avslöjades av ALMA-observationerna.

Modellen skapad av Dong och hans medförfattare resulterar i vad teamet kallar syntetiska observationer – simuleringar som ser ut exakt som vad ALMA skulle se på himlen. Dongs team åstadkom detta genom att justera parametrarna i simuleringen av den utvecklande protoplanetariska skivan, såsom att anta en låg viskositet och tillsätta dammet till blandningen. De flesta tidigare simuleringar var baserade på högre skivviskositet och tog endast hänsyn till skivans gasformiga komponent.

"Viskositeten i protoplanetära skivor kan drivas av turbulens och andra fysiska effekter, " säger Li. "Det är en lite mystisk mängd – vi vet att den finns där, men vi vet inte dess ursprung eller hur stort dess värde är, så vi tror att våra antaganden är rimliga, med tanke på att de resulterar i mönstret som faktiskt har observerats på himlen."

Ännu viktigare, de syntetiska observationerna framkom från simuleringarna utan att det var nödvändigt att åberopa gasjättar av storleken Jupiter eller större.

"En superjord visade sig vara tillräckligt för att skapa de multipla ringarna och flera, smala luckor vi ser i de faktiska observationerna, " säger Dong.

När framtida forskning avslöjar mer av protoplanetära diskars inre funktioner, Dong och hans team kommer att förfina sina simuleringar med ny data. Tills vidare, deras syntetiska observationer erbjuder ett spännande scenario som ger en saknad länk mellan de egenskaper som observeras hos många planetariska spädbarn och deras vuxna motsvarigheter.

Studien, "Flera diskluckor och ringar genererade av en enda superjord, " av Ruobing Dong, Shentai Li, Eugene Chiang och Hui Li, kommer att publiceras den 13 juli i Astrofysisk tidskrift .