I teoretisk forskning som kan förklara allt från planetbildning till utflöden från stjärnor, till och med sedimenteringen av vulkanaska, Caltech -forskare har upptäckt en ny mekanism för att förklara hur damm som rör sig genom gas leder till dammklumpar. Medan dammklumpar redan var kända för att spela en roll vid sådd av nya planeter och många andra system i rymden och på jorden, hur klumparna bildades var okänt förrän nu.
Phil Hopkins, professor i teoretisk astrofysik vid Caltech, arbetar med Jonathan (Jono) Squire, en tidigare postdoktor vid Caltech, började tänka på störningar av damm som rör sig genom gas medan de studerade hur stark strålning från stjärnor och galaxer driver dammbelastade vindar. Hopkins säger att det tidigare antogs att damm var stabilt i gas, vilket betyder att dammkornen skulle rida tillsammans med gas utan att det händer mycket, eller de skulle sätta sig ur gasen om partiklarna var tillräckligt stora, som fallet är med sot från en brand.
"Vad Jono och jag upptäckte är att damm och gas som försöker röra sig med varandra är instabila och får dammkorn att samlas, "säger Hopkins." Snart började vi inse att dessa gasdamminstabiliteter spelar överallt i universum att en kraft driver damm genom gas, om krafterna är stjärnvindar, allvar, magnetism, eller ett elektriskt fält. "Lagets simuleringar visar material som snurrar ihop, med dammklumpar som växer sig större och större.
"Vi började faktiskt studera dammdrivna vindar i rymden, men när vi studerade problemet, vi märkte specifika egenskaper hos instabiliteten som fick oss att tro att detta var ett mer allmänt fenomen, "säger Squire, som tillsammans med Hopkins har författat fyra artiklar om sina nya fynd, en godkänd för publicering på The Astrophysical Journal och tre på Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . "Härifrån, det snöade liksom, eftersom vi kunde studera många olika system – galaxer, stjärnor, planetbildning, gasen nära supermassiva svarta hål, supernovor, et cetera – och bekräfta vår intuition. Det var inte ett eureka -ögonblick utan en serie eurekas som varade i ungefär en vecka. "
De kanske mest anmärkningsvärda konsekvenserna för de nyfunna Hopkins-Squire-instabiliteten är för studier av växande planeter. Planeter tar form i dammiga, roterande "protoplanetära" skivor av gas och damm runt unga stjärnor. På dessa diskar, dammet samlas för att bilda större och större stenar och stenblock, sedan bitar i bergsstorlek, och så småningom fullvuxna planeter.
Någon gång under denna process, när stenbitarna är tillräckligt stora – ungefär 1, 000 kilometer i diameter – tyngdkraften tar över och försvinner de bergiga klipporna till en rund planet. Det stora mysteriet ligger i vad som händer innan gravitationen träder i kraft – det vill säga, vad som orsakar dammpartiklarna, småsten, och stenblock att gå ihop? Forskare trodde en gång att de kunde hålla ihop på samma sätt som dammkaniner samlas under din säng, men det finns problem med den teorin.
"Om du kastar två småsten tillsammans, de fastnar inte. De bara hoppar av varandra, "säger Hopkins." För storlekar mellan en millimeter och hundratals kilometer, kornen fastnar inte. Detta är ett av de största problemen med att modellera planetbildning."
I Hopkins-Squires instabilitetsmodell, som bygger på tidigare modeller av interaktioner mellan damm och gas, bildandet av planetdammklumpar skulle börja med små dammkorn som rörde sig genom gasen som kretsar i en protoplanetär skiva. Gas skulle ringla runt ett korn som flodvatten runt ett stenblock; samma sak skulle hända med ett annat dammkorn i närheten. Dessa två gasflöden kan då interagera. Om det finns många dammkorn relativt nära varandra, vilket är fallet i planetbildning, nettoeffekten av de många resulterande gasflödena skulle vara att kanalisera dammet till klumpar.
"I vår nya teori, denna stickning genom klumpning kan uppstå för ett mycket bredare spannmål av kornstorlekar än man tidigare trott, tillåta mindre korn att delta i processen och snabbt växa i storlek, säger Squire.
"Att förstå ursprunget till vårt solsystem är bland de viktigaste problemen inom all naturvetenskap, och upptäckten av Hopkins-Squire instabilitet är ett viktigt steg mot att uppnå den förståelsen. Detta är en spännande utveckling, " säger Caltechs Konstantin Batygin, biträdande professor i planetvetenskap och Van Nuys Page Scholar, som inte var inblandad i studien.
Forskargruppen säger att dessa instabiliteter också kan vara viktiga i helt andra situationer här på jorden. Till exempel, vulkanaska eller regndroppar interagerar med vår atmosfär på exakt samma sätt som astrofysiskt stoft interagerar med sin omgivande gas.
"Det är väldigt intressant att utforska hur dessa instabiliteter kan fungera i alla dessa olika scenarier, " säger Squire. "Vi ser fram emot att förstå helt andra instabiliteter inom andra områden av fysik och tillämpad matematik – och, förhoppningsvis, att hitta andra helt nya och intressanta system där detta sker. "
