Under de senaste 25 åren, Forskare har upptäckt över 4000 planeter bortom gränserna för vårt solsystem. Från relativt små berg- och vattenvärldar till blixtrande heta gasjättar, planeterna uppvisar en anmärkningsvärd variation. Denna sort är inte oväntad. De sofistikerade datormodellerna, med vilka forskare studerar bildningen av planeter, skapar också väldigt olika planeter. Vad modellerna har svårare att förklara är den observerade massfördelningen av planeterna som upptäckts runt andra stjärnor. Majoriteten har hamnat i den mellanliggande masskategorin - planeter med massor av flera jordmassor till runt Neptunus. Även i samband med solsystemet, bildandet av Uranus och Neptunus förblir ett mysterium. Forskare vid universiteten i Zürich och Cambridge, associerad med schweiziska NCCR PlanetS, har nu föreslagit en alternativ förklaring som backas upp av omfattande simuleringar. Deras resultat publicerades i den vetenskapliga tidskriften Natur astronomi .

Två kontrasterande krafter...

"När planeter bildas från den så kallade protoplanetära skivan av gas och damm, gravitationsinstabilitet kan vara drivmekanismen, " Lucio Mayer, studie medförfattare och professor i beräkningsastrofysik vid universitetet i Zürich, och medlem av NCCR PlanetS, förklarar. I denna process, damm och gas i skivan klumpar ihop sig på grund av gravitationen och bildar täta spiralstrukturer. Dessa växer sedan till planetariska byggstenar och så småningom planeter.

Skalan på vilken denna process sker är mycket stor – den sträcker sig över den protoplanetära skivans skala. "Men över kortare avstånd - skalan för enskilda planeter - dominerar en annan kraft:magnetfält som utvecklas tillsammans med planeterna, Mayer utarbetar. Dessa magnetfält rör upp gasen och dammet på skivan och påverkar därmed bildningen av planeterna. "För att få en fullständig bild av planetbildningsprocessen, det är därför viktigt att inte bara simulera den storskaliga spiralstrukturen i skivan. De småskaliga magnetfälten runt de växande planetariska byggstenarna måste också inkluderas, " säger huvudförfattaren till studien, tidigare doktorand vid Mayer och nu forskarassistent vid University of Cambridge, Hongping Deng.

...som är svåra att greppa samtidigt

Dock, skillnaderna i skala och karaktär av gravitation och magnetism gör de två krafterna mycket utmanande att integrera i samma planetbildande modell. Än så länge, datorsimuleringar som fångade effekterna av en av krafterna väl, gick oftast dåligt med den andra. Att lyckas, teamet utvecklade en ny modelleringsteknik. Det krävde expertis inom ett antal olika områden:För det första, de behövde en djup teoretisk förståelse av både gravitation och magnetism. Sedan, forskarna var tvungna att hitta ett sätt att översätta förståelsen till en kod som effektivt kunde beräkna dessa kontrasterande krafter unisont. Till sist, på grund av det enorma antalet nödvändiga beräkningar, en kraftfull dator krävdes – som "Piz Daint" vid Swiss National Supercomputing Center (CSCS). "Förutom de teoretiska insikterna och de tekniska verktygen som vi utvecklade, vi var därför också beroende av utvecklingen av datorkraft, " säger Lucio Mayer.

Ett decennier gammalt pussel löst?

Mot oddsen, allt kom ihop vid rätt tidpunkt och möjliggjorde ett genombrott. "Med vår modell, vi kunde för första gången visa att magnetfälten gör det svårt för de växande planeterna att fortsätta samla massa bortom en viss punkt. Som ett resultat, jätteplaneter blir sällsynta och mellanmassaplaneter mycket vanligare - liknande vad vi observerar i verkligheten, " förklarar Hongping Deng.

"Dessa resultat är bara ett första steg, men de visar tydligt vikten av att ta hänsyn till fler fysiska processer i simuleringar av planetbildning. Vår studie hjälper till att förstå potentiella vägar till bildandet av planeter med mellanmassa som är mycket vanliga i vår galax. Det hjälper oss också att förstå de protoplanetära skivorna i allmänhet, "Ravit Helled, studie medförfattare och professor i teoretisk astrofysik vid universitetet i Zürich och medlem av NCCR PlanetS, avslutar.