Sich schnell formende Riesenplaneten könnten spiralförmige protoplanetare Scheiben stören.

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Simulationen von Astrophysikern der University of Warwick zeigen, dass Wechselwirkungen mit Riesenplaneten zu protoplanetaren Scheiben führen könnten, die älter aussehen, als sie sollten
Es wird erwartet, dass massive junge Scheiben spiralförmige Strukturen aufweisen, aber diese werden selten mit Teleskopen beobachtet.
Könnte durch die Anwesenheit von Riesenplaneten zu Beginn des Lebens der Scheibe erklärt werden

Riesenplaneten, die sich früh im Leben eines Sternensystems entwickelten, könnten laut einer neuen Studie von Astronomen der Universität Warwick das Rätsel lösen, warum in jungen protoplanetaren Scheiben keine Spiralstrukturen beobachtet werden.

Die am 26. November 2020 im Astrophysical Journal Letters veröffentlichte und zum Teil von der Royal Society unterstützte Studie liefert eine Erklärung für das Fehlen von Spiralstrukturen, die Astronomen in protoplanetaren Scheiben um junge Sterne erwarten, und legt außerdem nahe, dass Wissenschaftler möglicherweise neu bewerten müssen, wie schnell sich Planeten im Lebenszyklus einer Scheibe bilden.

Protoplanetare Scheiben sind die Geburtsstätten von Planeten und beherbergen das Material, das sich schließlich zu der Vielzahl von Planeten zusammenfügen wird, die wir im Universum sehen. Wenn diese Scheiben jung sind, bilden sie spiralförmige Strukturen, wobei all ihr Staub und ihr Material durch die massive Gravitationswirkung der sich drehenden Scheibe in dichte Arme gezogen werden. Ein ähnlicher Effekt tritt auf der galaktischen Ebene auf, weshalb wir Spiralgalaxien wie unsere eigene, die Milchstraße, sehen.

Im Laufe von drei bis zehn Millionen Jahren kommt Material von der Scheibe zu Planeten zusammen, fällt auf den Stern, den sie umkreist, oder verteilt sich einfach durch Winde, die von der Scheibe ausgehen, im Raum. Wenn eine Scheibe jung ist, ist sie selbstgravitierend, und das Material in ihr bildet eine spiralförmige Struktur, die sie verliert, wenn sie gravitationsstabil wird. Junge Planeten, die sich entwickeln, schneiden dann Lücken in die Scheibe, wenn sie Material auf ihrem Weg verbrauchen und zerstreuen, was zu den “Ring- und Lücken”-Merkmalen führt, die Astronomen am häufigsten in protoplanetaren Scheiben sehen.

Aber die Astronomen hatten Mühe, Beobachtungen von jungen protoplanetaren Scheiben zu erklären, die keine Anzeichen von Spiralen aufweisen, sondern stattdessen wie eine viel ältere Scheibe mit einer Ring- und Lückenstruktur aussehen. Um eine Erklärung zu finden, führten Sahl Rowther und Dr. Farzana Meru von der Fakultät für Physik der Universität Warwick Computersimulationen von massiven Planeten in jungen Scheiben durch, um herauszufinden, was passieren würde, wenn sie miteinander interagieren würden.

Sie stellten fest, dass ein riesiger Planet mit etwa dreifacher Jupitermasse, der von den äußeren Regionen der Scheibe in Richtung seines Sterns wandert, genügend Störungen verursachen würde, um die Spiralstruktur der Scheibe auszulöschen – mit Ergebnissen, die den von Astronomen beobachteten Scheiben sehr ähnlich sind. Um jedoch im Spiralstadium der Scheibe präsent zu sein, müssten sich diese Planeten schnell und früh im Lebenszyklus der Scheibe bilden.

Hauptautor Sahl Rowther, Doktorand im Fachbereich Physik, sagte: “Wenn Scheiben jung sind, erwarten wir, dass sie massiv mit spiralförmigen Strukturen sind. Aber das sehen wir bei Beobachtungen nicht.

“Unsere Simulationen deuten darauf hin, dass ein massiver Planet in einer dieser jungen Scheiben die Zeit, die in der selbstgravitierenden Spiralphase verbracht wird, tatsächlich auf einen Planeten verkürzen kann, der eher wie einige der Beobachtungen aussieht, die Astronomen sehen.

Video, das den Vergleich der Entwicklung einer protoplanetaren Scheibe ohne Planet (links) und mit einem umlaufenden 3-Jupiter-Massenplaneten (rechts) zeigt. Credit: Universität Warwick

Koautorin Dr. Farzana Meru vom Fachbereich Physik fügt hinzu: “Wenn einige dieser von Astronomen beobachteten Scheiben vor kurzem selbstgravitierend waren, dann deutet das darauf hin, dass sie einen Planeten bildeten, als die Scheibe noch jung war. Die Selbstgravitationsphase einer protoplanetaren Scheibe dauert viel weniger als eine halbe Million Jahre, was bedeutet, dass sich der Planet unglaublich schnell gebildet haben muss.

“Unabhängig davon, welcher Mechanismus erklärt, wie sich diese Planeten bilden, bedeutet dies wahrscheinlich, dass wir in Betracht ziehen müssen, dass sich die Planeten viel schneller bilden als ursprünglich angenommen.

Ihre Simulationen modellierten einen Riesenplaneten in den äußeren Regionen einer protoplanetaren Scheibe, wie er sich nach innen bewegt, ein Prozess, den Astronomen zu sehen erwarten, wenn das Drehmoment den Planeten nach innen drückt, während er seinen Drehimpuls mit dem Gas in der Scheibe austauscht. Dies bedeutet auch, dass der Planet mit einem großen Teil der Scheibe in Wechselwirkung treten und einen großen Teil der Scheibe zerreißen würde und massiv genug wäre, um einen Spalt im Gas zu öffnen, was zu der Ring- und Spaltstruktur führen würde.

Sahl Rowther fügt hinzu: “Dies ist angesichts der Unbekannten, die mit den Massen der beobachteten Scheiben verbunden sind, aufregend. Wenn massive Scheiben mit Ring- und Spaltstrukturen üblich sind, könnte dies mehr Wege zur Erklärung von Scheibenarchitekturen eröffnen.

“Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es unter den richtigen Bedingungen und mit der richtigen Technologie sogar möglich sein könnte, Zeichen dieser Riesenplaneten zu sehen. Der nächste Schritt unserer Forschung wird darin bestehen, diese Bedingungen zu bestimmen, um den Astronomen bei dem Versuch zu helfen, das Vorhandensein dieser Planeten zu bestimmen.

Dr. Meru fügt hinzu: “Es ist durchaus möglich, dass diese Spiralstruktur ausgelöscht wird, lassen Sie sich nicht täuschen, wenn Sie eine Scheibe betrachten. Es könnte immer noch möglich sein.

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