Simulering av stjärninkräktarscenariot för en massa av 0,5 solmassor och ett perihelavstånd på 100 astronomiska enheter eller 15 miljarder kilometer för den störande stjärnan (tre gånger avståndet mellan Solen och Neptunus). a) genomsnittliga positioner för partiklarna efter förbiflygningen, färger som visar excentriciteten i deras banor som ökar från blått till grönt. b) partikelpositioner före förbiflygningen med olika excentricitetspopulationer (färger) från den översta raden Grå regioner:partiklar som blev obundna på grund av förbiflygningen. Kredit:S. Pfalzner et al.:The Astrofysisk tidskrift (2018)
Solsystemet bildades av en protoplanetarisk skiva bestående av gas och damm. Eftersom den kumulativa massan av alla föremål bortom Neptunus är mycket mindre än förväntat och kropparna där mestadels har lutat, excentriska banor, det är troligt att någon process omstrukturerat det yttre solsystemet efter dess bildande. Susanne Pfalzner från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, och hennes kollegor presenterar en studie som visar att en nära förbiflygning av en angränsande stjärna samtidigt kan leda till den observerade lägre masstätheten i den yttre delen av solsystemet och excitera kropparna där till excentrisk, lutande banor. Deras numeriska simuleringar visar att många ytterligare kroppar med höga lutningar fortfarande väntar på upptäckt, kanske inklusive den ibland postulerade "planeten X".
Resultaten publiceras i Astrofysisk tidskrift .
En nästan katastrof för miljarder år sedan kan ha format de yttre delarna av solsystemet, samtidigt som man lämnar de inre regionerna i princip orörda. Forskare från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn och deras medarbetare fann att en nära förbiflygning av en annan stjärna kan förklara många av de egenskaper som observeras i det yttre solsystemet. "Vår grupp har i flera år tittat på vad förbiflygningar kan göra med andra planetsystem, aldrig tänkt på att vi faktiskt kan leva rätt i ett sådant system, säger Susanne Pfalzner, huvudförfattaren till projektet. "Det fina med denna modell ligger i dess enkelhet."
Grundscenariot för bildandet av solsystemet har länge varit känt:Solen föddes från ett kollapsande moln av gas och damm. I processen, en platt skiva bildades där stora planeter växte, tillsammans med mindre föremål som asteroiderna, dvärgplaneter, etc. På grund av skivans planhet, planeterna skulle förväntas kretsa i ett enda plan om inte något dramatiskt hände. Ser man på solsystemet ända till Neptunus omloppsbana, allt verkar bra:De flesta planeter rör sig på ganska cirkulära banor och deras banlutningar varierar endast något. Dock, bortom Neptunus, saker blir väldigt röriga. Det största pusslet är dvärgplaneten Sedna, som rör sig på en lutande, mycket excentrisk omloppsbana och är så långt utanför att den inte kunde ha blivit utspridd av planeterna där.
Strax utanför Neptunus omloppsbana händer en annan konstig sak. Den kumulativa massan av alla föremål sjunker dramatiskt med nästan tre storleksordningar. Detta sker på ungefär samma avstånd där allt blir rörigt. Det kan vara en slump, men sådana tillfälligheter är sällsynta i naturen.
Susanne Pfalzner och hennes medarbetare föreslår att en stjärna närmade sig solen i ett tidigt skede, stjäla det mesta av det yttre materialet från solens protoplanetariska skiva och kasta det som fanns kvar i lutande och excentriska banor. Utför tusentals datorsimuleringar, de kollade vad som skulle hända när en stjärna passerar väldigt nära och stör den en gång större skivan. Det visade sig att den bästa passformen för dagens yttre solsystem kommer från en störande stjärna med samma massa som solen eller något lättare (0,5-1 solmassor), som flög förbi på ungefär tre gånger avståndet från Neptunus.
Dock, det mest överraskande fyndet var att en förbiflygning inte bara förklarar de konstiga banorna för objekten i det yttre solsystemet, men ger också en naturlig förklaring till flera andra oförklarade egenskaper hos solsystemet, inklusive massförhållandet mellan Neptunus och Uranus, och förekomsten av två distinkta populationer av Kuiperbältsobjekt.
"Det är viktigt att fortsätta utforska alla möjliga vägar för att förklara strukturen av det yttre solsystemet. Uppgifterna ökar, men fortfarande för gles, så teorier har mycket utrymme att utveckla, " säger Pedro Lacerda från Queen's University i Belfast, en medförfattare till tidningen. "Det finns en viss risk att en teori kristalliseras som sanning, inte för att den förklarar data bättre, men på grund av andra påtryckningar. Vårt papper visar att mycket av det vi för närvarande vet kan förklaras av något så enkelt som ett stjärnflyg."
Den stora frågan är sannolikheten för en sådan händelse. I dag, förbiflygningar till och med hundratals gånger längre bort är lyckligtvis sällsynta. Dock, stjärnor som vår sol föds vanligtvis i stora grupper av stjärnor som är mycket tätare packade. Därför, nära förbiflygningar var betydligt vanligare i det avlägsna förflutna. Att utföra en annan typ av simulering, teamet fann att det fanns en 20 till 30 procents chans att uppleva en förbiflygning under de första miljarderna av solens liv.
Detta är inget slutgiltigt bevis på att en stjärnflygning orsakade det yttre solsystemets röriga egenskaper, men den kan återge många observationer och verkar relativt realistisk. Än så länge, det är den enklaste förklaringen, och om enkelhet är en giltighetsmarkör, denna modell är de bästa kandidaterna hittills.
"Sammanfattningsvis, vårt nära förbi-scenario erbjuder ett realistiskt alternativ till nuvarande modeller som föreslås för att förklara de oväntade egenskaperna hos det yttre solsystemet, ", avslutar Susanne Pfalzner. "Det bör ses som ett alternativ för att forma det yttre solsystemet. Styrkan i förbiflygningshypotesen ligger i förklaringen av flera yttre solsystemsdrag med en enda mekanism."
