Numeriska simuleringar av en grupp astronomer, ledd av Mario Flock från Max Planck Institute for Astronomy, har visat att unga planetsystem är naturligt "bebissäkra":Fysiska mekanismer kombineras för att hindra unga planeter i de inre regionerna från att ta ett dödligt dopp i stjärnan. Liknande processer gör det också möjligt för planeter att födas nära stjärnor - från småsten som är fångade i ett område nära stjärnan. Forskningen, som har publicerats i tidskriften Astronomi &Astrofysik , förklarar fynden av Kepler-rymdteleskopen som visar ett stort antal superjordar som kretsar mycket nära sina stjärnor, vid kanten av det babysäkra området.

När ett barn föds, föräldrar kommer att se till att de har babysäkrat sitt hem, sätta upp säkerhetsbarriärer som håller barnet borta från särskilt farliga områden. Ny forskning om bildningen av planeter visar att något mycket liknande händer i unga planetsystem.

Planeter bildas runt en ung stjärna, som är omgiven av en skiva av gas och damm. Inuti denna protoplanetariska skiva, dammkorn håller ihop, växer sig större och större. Efter några miljoner år, de har nått några kilometer i diameter. Vid det tillfället, gravitationen är tillräckligt stark för att dra ihop sådana föremål för att bilda planeter, runda föremål, fast eller med en solid kärna, med diametrar på några tusen kilometer eller mer.

En nyfiken trängsel vid den inre gränsen

Precis som småbarn, Fasta föremål i ett så ungt planetsystem tenderar att röra sig i alla riktningar – inte bara kretsar runt stjärnan, men driver inåt eller utåt. Detta kan bli potentiellt dödligt för planeter som redan är relativt nära den centrala stjärnan.

Nära stjärnan, vi kommer bara att möta steniga planeter, med fasta ytor, liknande vår jord. Planetkärnor kan bara fånga och hålla betydande mängder gas för att bli gasjättar mycket längre ut, bort från den heta stjärnan. Men den enklaste typen av beräkning för rörelsen av en planet nära stjärnan, i gasen från en protoplanetarisk skiva, visar att en sådan planet ständigt borde driva inåt, störtar in i stjärnan på en tidsskala på mindre än en miljon år, mycket kortare än skivans livslängd.

Om detta vore hela bilden, det skulle vara förbryllande att NASA:s Kepler-satellit, undersöker stjärnor som liknar solen (spektraltyper F, G och K), hittat något helt annat:många stjärnor har mycket nära kretsande så kallade superjordar, steniga planeter som är mer massiva än vår egen jord. Särskilt vanliga är planeter med perioder runt 12 dagar, går ner till mens så lågt som 10 dagar. För vår sol, som skulle motsvara omloppsradier runt 0,1 astronomiska enheter, bara ungefär en fjärdedel av Merkurius omloppsradie, planeten närmast vår sol i vårt eget solsystem.

Detta var pusslet som Mario Flock, en gruppledare vid Max Planck Institute for Astronomy, satsa på att lösa, tillsammans med kollegor från Jet Propulsion Laboratory, University of Chicago och Queen Mary University, London. De inblandade forskarna är experter på att simulera den komplexa miljön där planeter föds, modellering av gasflöden och interaktioner, damm, magnetiska fält, och av planeter och deras olika prekursorstadier. Inför den uppenbara paradoxen med Keplers superjordar i omloppsbana, de satte sig för att simulera planetbildning nära solliknande stjärnor i detalj.

Babysäkring i solsystemskala

Deras resultat var otvetydiga, och föreslå två möjliga orsaker bakom den vanliga förekomsten av nära kretsande planeter. Den första är att, åtminstone för steniga planeter med massor av upp till 10 gånger jordens massa ("superjordar" eller "mini-Neptunes"), dessa tidiga stjärnsystem är babysäkra.

Säkerhetsbarriären som håller unga planeter borta från farozonen fungerar enligt följande. Ju närmare vi kommer stjärnan, desto mer intensiv stjärnans strålning. Inre gräns som kallas silikatsublimeringsfronten, skivans temperatur stiger över 1200 K, och dammpartiklar (silikater) kommer att förvandlas till gas. Den extremt heta gasen i den regionen blir väldigt turbulent. Denna turbulens transporterar gasen mot stjärnan med hög hastighet, tunna ut den inre delen av skivan i processen.

När en ung superjord färdas genom gasen, det åtföljs vanligtvis av gas som roterar tillsammans med planeten på en omloppsbana som liknar en hästsko. När planeten driver inåt och når silikatsublimeringsfronten, gaspartiklarna som rör sig från den heta tunnare gasen till den tätare gasen utanför gränsen ger planeten en liten kick. I den här situationen, gasen kommer att utöva ett inflytande (i fysiktermer:ett vridmoment) på den resande planeten, och avgörande, på grund av hopp i täthet, att inflytande kommer att dra planeten bort från gränsen, radiellt utåt. På det här sättet, gränsen fungerar som en säkerhetsbarriär, hindra de unga planeterna från att störta in i stjärnan. Och platsen för gränsen för en solliknande stjärna, som förutspått av simuleringen, motsvarar den nedre gränsen för omloppsperioder som hittats av Kepler. Som Mario Flock säger:"Varför finns det så många superjordar i nära omloppsbana, som Kepler har visat oss? Eftersom unga planetsystem har en inbyggd babysäker barriär."

Planetbyggande vid gränsen

Det finns en alternativ möjlighet:att spåra rörelsen av stenliknande, mindre föremål som är några millimeter eller centimeter stora, forskarna fann att sådana småsten tenderar att samlas tätt bakom silikatsublimeringsfronten. För att trycket ska kunna balansera direkt vid gränsen, den tunna gasen i övergångsområdet behöver rotera snabbare än vanligt (eftersom det måste finnas en balans mellan tryck och centrifugalkraft). Denna gasrotation är snabbare än den "Keplerianska" omloppshastigheten för en isolerad partikel som kretsar runt stjärnan på egen hand. En sten som kommer in i denna övergångsregion tvingas in i denna snabbare rörelse än Kepler, och omedelbart kastas ut igen när motsvarande centrifugalkrafter trycker den utåt, som ett litet barn som glider från plattformen på en karusell. Detta, bidrar också till frekvensen av nära kretsande superjordar. Inte bara samlas tidigare bildade superjordar vid en babysäker barriär. Det faktum att småsten också samlas vid den barriären ger idealiska förhållanden för att superjorden nybildas på den platsen.

Resultaten kom inte som en fullständig överraskning för forskarna. Faktiskt, de hade hittat en liknande stenfälla i modeller av mycket tyngre stjärnor ("Herbig stars"), fast på ett mycket större avstånd från stjärnan. De nya resultaten utökar detta till solliknande stjärnor, och de lägger till babyskyddsmekanismen för nyfödda planeter. Vidare, den nya artikeln är den första som ger en jämförelse med statistiska data från rymdteleskopet Kepler, noggrant med hänsyn till att Kepler endast kommer att kunna se vissa typer av system (särskilt där vi ser omloppsplanet nästan kant-på).

Hur är det med vårt eget solsystem?

Intressant, enligt dessa kriterier, vårt eget solsystem kunde också ha hyst en jordliknande planet närmare solen än den nuvarande innersta planeten, Merkurius. Är det faktum att det inte finns någon sådan planet en statistisk slump, eller existerade en sådan planet och kastades ut från solsystemet någon gång? Det är en intressant fråga för ytterligare forskning. Som Mario Flock säger:"Inte bara att vårt solsystem var barnsäkert - det är möjligt att barnet som skyddas på detta sätt har "flugit boet" sedan dess."