Forskare vid universiteten i Bern och Zürich och vid ETH Zürich visar hur Jupiter bildades. Data som samlats in från meteoriter hade indikerat att tillväxten av jätteplaneten var försenad i 2 miljoner år. Nu, forskarna har hittat en förklaring:Kollisioner med kilometerstora stenar genererade hög energi, vilket innebar att i denna fas, knappast någon ansamling av gas kunde ske, och planeten kunde bara växa långsamt.

Med en ekvatordiameter på cirka 143, 000 kilometer, Jupiter är den största planeten i solsystemet och har 300 gånger jordens massa. Bildningsmekanismen för jätteplaneter som Jupiter har varit ett hett debatterat ämne i flera decennier. Nu, astrofysiker från Swiss National Centre of Competence in Research (NCCR) PlanetS vid universiteten i Bern och Zürich och ETH Zürich har samarbetat för att förklara tidigare pussel om hur Jupiter bildades. Forskningsresultaten publicerades i Natur astronomi .

"Vi kunde visa att Jupiter växte på olika sätt, distinkta faser, " förklarar Julia Venturini, postdoc vid universitetet i Zürich. "Särskilt intressant är att det inte är samma typ av kroppar som ger massa och energi, " tillägger Yann Alibert, Science Officer of PlanetS och första författare till artikeln. Först, planetembryot ansamlades snabbt litet, centimeterstora småsten och byggde snabbt en kärna under sina första miljoner år. De följande 2 miljoner åren dominerades av långsammare ansamling av större, kilometerstora stenar som kallas planetesimals. De träffade den växande planeten med stor energi, släpper ut värme. "Under det första steget, stenarna kom med mässan, " Yann Alibert förklarar." I den andra fasen, planetesimalerna lade också till lite massa, men ännu viktigare, de kom med energi." Efter 3 miljoner år, Jupiter hade växt till en kropp på 50 jordmassor. Den tredje bildningsfasen dominerades av rinnande gastillväxt, leder till en gasjätte med mer än 300 jordmassor.

Solsystemet är uppdelat i två delar

Den nya modellen för Jupiters födelse matchar nya meteoritdata som presenterades vid en konferens i USA förra året. I början, Julia Venturini och Yann Alibert blev förbryllade när de hörde resultatet. Mätningar av sammansättningen av meteoriter visade att i solsystemets ursprungliga era, solnebulosan delades upp i två regioner under 2 miljoner år. Man kunde därför dra slutsatsen att Jupiter fungerade som en slags barriär när den växte från 20 till 50 jordmassor. Under denna period, den bildade planeten måste ha stört dammskivan, skapa en överdensitet som fångade stenarna utanför sin omloppsbana. Därför, material från yttre områden kunde inte blandas med material i de inre områdena förrän planeten nådde tillräcklig massa för att störa och sprida stenar inåt.

"Hur kunde det ha tagit 2 miljoner år för Jupiter att växa från 20 till 50 jordmassor?" frågade Julia Venturini. "Det verkade alldeles för långt. Det var den utlösande frågan som motiverade vår studie."

En diskussion via e-post började bland NCCR PlanetS-forskare vid universiteten i Bern och Zürich och ETH Zürich, och nästa vecka, experter inom områdena astrofysik, rymdkemi och hydrodynamik arrangerade ett möte i Bern. "Om några timmar, vi visste vad vi hade att beräkna för vår studie, " säger Yann Alibert:"Detta var endast möjligt inom ramen för NCCR, som länkar samman forskare från olika områden."

Med sina beräkningar, forskarna visade att den period under vilken den unga planeten hade en massa i intervallet 15 till 50 jordmassor var mycket längre än man tidigare trott. Under denna bildningsfas, kollisionerna med de kilometerstora stenarna gav tillräckligt med energi för att värma den unga Jupiters gasatmosfär och förhindrade snabb avkylning, kontraktion och ytterligare gastillväxt. "Småsten är viktiga i de första stegen för att snabbt bygga en kärna, men värmen från planetesimals är avgörande för att fördröja gastillväxten så att den matchar tidsskalan som ges av meteoritdata, " skrev astrofysikerna. De är övertygade om att deras resultat ger nyckelelement för att lösa andra långvariga problem angående bildandet av Uranus och Neptunus och exoplaneterna i denna massregim.