惑星がどのように形成されるかについての新しい理論は、若い星を取り巻く渦巻くガスの激しい乱流の中で安定の避難所を見つけます。これらの保護地域は、惑星が破壊されることなく形成され始める場所です。理論は、ジャーナルIcarusの2月号に掲載されます。
「これは惑星を始めるもう1つの方法です。天文学の教授であり、インディアナ大学ブルーミントン校の学部長であるリチャード・デュリセンは言った。 Durisenは、コンピューターを使用して惑星形成をモデル化するリーダーです。
彼のシミュレーションがコンピューターモニターで実行されているのを見ていると、星間空間の見晴らしの良い場所から見下ろし、実際にプロセスが行われているのを見ることが想像できます。
中央の星の周りに緑色のガスの円盤が渦を巻いています。やがて、黄色のらせん状の腕がディスク内に現れ始め、ガスがより高密度になる領域を示します。その後、最初はほんのヒントですが、次第に安定していく、いくつかの赤い塊が現れます。これらの赤い領域はさらに密集しており、ガスの塊がどこに蓄積され、後で惑星になるかを示しています。
乱流ガスと渦巻ディスクは、流体力学とコンピュータグラフィックスを使用した数学的構造です。コンピューターモニターには、科学者の計算結果がカラフルなアニメーションとして表示されます。
「これらは、惑星が形成されるほとんどの若い星の周りに天文学者が見るガスと塵の円盤です」とDurisenは説明しました。 「それらは、軌道上で星の周りを旋回する巨大な渦のようなものです。私たち自身の太陽系はそのような円盤から形成されました。」
科学者たちは現在、他の星の周りにある130以上の惑星を知っており、それらのほとんどすべてが少なくとも木星と同じくらい巨大です。 「ガスの巨大惑星は、10年前でさえ想像できなかったよりも一般的です」と彼は言った。 「自然はこれらの惑星を作るのがかなり上手です。」
惑星がどのように作られるかを理解する鍵は、重力不安定性と呼ばれる現象である、とDurisenは述べています。科学者達は長い間、星の周りのガス円盤が十分に重くて十分に冷たい場合、これらの不安定性が起こり、円盤の重力がガス圧を圧倒し、円盤の一部を引き寄せて密集した塊を形成させ、それが惑星になる可能性があると考えてきました。
ただし、重力的に不安定なディスクは暴力的な環境です。他のディスク材料や他の塊との相互作用により、潜在的な惑星が中心の星に投げ込まれたり、完全に引き裂かれたりする可能性があります。惑星が不安定な円盤で形成される場合、それらはより保護された環境を必要とし、Durisenはそれを見つけたと考えています。
彼のシミュレーションを実行すると、不安定な領域の端にあるディスク内にガスのリングが形成され、密度が高くなります。リングに蓄積された固体粒子がリングの中央にすばやく移動すると、惑星のコアがはるかに速く形成される可能性があります。
時間の要素は重要です。デュリセンや他の理論家が直面する主要な課題は、木星などの巨大ガス惑星が天文学的基準によってかなり急速に形成する天文学者による最近の発見です。彼らはしなければなりません—そうでなければ、彼らが必要とするガスはなくなるでしょう。
「天文学者は、若い星の周りのガスの巨大な円盤が数百万年の間に消え去る傾向があることを今知っています」とDurisenは言いました。 「それが、ガスに富む惑星を作るチャンスです。木星と土星、および他の星の周りに共通する惑星はすべてガス巨星であり、それらの惑星は、まだかなりの量のガス円盤が存在するこの数百万年のウィンドウの間に作られなければなりません。」
この速度の必要性は、最近まで標準モデルであったコア降着理論など、惑星を形成するためののんびりとアプローチするあらゆる理論に問題を引き起こします。
「コア降着理論では、ガス巨大惑星の形成は、地球などの惑星が蓄積するのと同様のプロセスによって開始されます」とDurisenは説明しました。 「固体の物体は互いにぶつかり、くっついてサイズが大きくなります。固体の物体が地球の質量の約10倍に成長し、周囲にガスがある場合、それは重力によって多くのガスをつかむのに十分なほど大きくなります。それが起こると、ガスの巨大惑星が急速に成長します。」
問題は、そのように堅実なコアを形成するのに長い時間がかかることです—約1000万から1億年の範囲です。この理論は、木星と土星では機能しますが、他の星の周りの数十の惑星では機能しません。これらの他の惑星の多くは木星の数倍の質量を持っており、コアの降着によってそのような巨大な惑星を作ることは非常に困難です。
重力の不安定性がそれ自体でガス巨大惑星を形成する可能性があるという理論は、50年以上前に最初に提案されました。コア降着理論の問題により、最近復活しました。膨大な量のガスが重力によって突然崩壊し、おそらくわずか数軌道で高密度の物体を形成するという考えは、確かに利用可能な時間枠に適合しますが、それ自体にいくつかの問題があります。
重力不安定理論によれば、らせん状の腕はガス円盤で形成され、その後、異なる軌道にある塊に分かれます。これらの塊は生き残り、惑星が形成されるまで大きく成長します。デュリセンは彼のシミュレーションでこれらの塊を確認しますが、それらは長続きしません。
「塊は飛び回り、剪断して再形成し、何度も破壊されます」と彼は言った。 「重力の不安定性が十分強い場合、らせん状の腕は塊に壊れます。問題は、彼らに何が起こるかということです。」
この論文の共著者は、IU博士課程の学生Kai CaiとDurisenの2人の元学生です。パーガン大学キャリュメットの物理学と天文学の准教授であるミーガンK.ピケット。
元のソース：インディアナ大学のニュースリリース
