Zaskakujące spłaszczenie rodzących się planet. Superkomputer pomógł w odkryciu

Wyniki takich symulacji mogą zaskakiwać. Dwaj naukowcy z brytyjskiego Uniwersytetu Centralnego Lancashire (UCL) wykorzystali superkomputer do lepszego zbadania, jak dokładnie formują się tam planety. Okazuje się, że nowo narodzone światy gazowe mogą być bardzo silnie spłaszczone na biegunach.

Zaobserwowanie protoplanet, które właśnie się uformowały, ale wciąż jeszcze pozostają w obrębie swoich dysków protoplanetarnych, jest dość problematyczne. Do tej pory zarejestrowano tylko trzy tak młode protoplanety, przy czym dwie z nich należą do tego samego układu, PDS 70. Przy czym wszystkich planet pozasłonecznych w Drodze Mlecznej znamy na tę chwilę ponad pięć i pół tysiąca. Skąd te dysproporcje?

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wyszukiwanie niemowlęcych globów jest trudne z kilku powodów. Przede wszystkim trzeba znaleźć układy gwiazdowe, które są w odpowiednio młodym wieku. Muszą one znajdować się na tyle blisko, by nasze teleskopy były w stanie wykryć i wyodrębnić charakterystyczny, planetarny sygnał, na przykład dostrzec słabe światło planety i odróżnić je od tego pochodzącego z obszaru dysku, w którym jest ona osadzona.

Kolejna sprawa to czas i statystyka. Cały proces formowania się planet z kosmicznego punktu widzenia trwa zaledwie kilka milionów lat. To znacznie mniej niż czas życia przeciętnej gwiazdy, a nawet niż czas potrzebny Słońcu na pełne okrążenie centrum naszej Galaktyki. W skali astrofizycznej to tylko krótka chwila w życiu układu planetarnego. Oznacza to w praktyce, że musimy mieć sporo szczęścia, żeby przyłapać niemowlęcą planetę w momencie jej narodzin.

W dużej mierze z tego względu astrofizycy tak cenią sobie szybkie superkomputery – maszyny zdolne do wykonywania biliardów operacji na sekundę. Pozwalają one – przy pomocy odpowiedniego oprogramowania – w sposób cyfrowy odtwarzać odległe kosmiczne warunki na Ziemi. Adam Fenton i Dimitris Stamatellos z UCL przeprowadzili takie symulacje w celu określenia właściwości gazowych protoplanet w różnych warunkach termicznych panujących w ich kolebkach, czyli dyskach. Współczesne symulacje mają na tyle wysoką rozdzielczość, że pozwalają śledzić ewolucję "wirtualnej" protoplanety od bardzo wczesnego etapu, gdy jest ona jedynie kondensacją materii w dysku. W tym przypadku skorzystano z mocy obliczeniowej brytyjskiego superkomputera astrofizycznego DiRAC.

Aby dobrze przygotować symulację astrofizyczną, trzeba doskonale orientować się w zakresie procesów fizycznych faktycznie zachodzących w symulowanym układzie. W tym przypadku niezbędna jest podstawowa wiedza na temat tworzenia się planet.

Powszechnie akceptowaną dziś teorią ich powstawania jest model akrecji jądra. Najpierw stopniowo buduje się stałe jądro planety, złożone ze skał, lodu i innych ciężkich substancji, a gdy jest już ono wystarczająco masywne (i mniej więcej kilkanaście razy większe od Ziemi), zaczyna zasysać wokół siebie i na siebie duże ilości gazu z dysku protoplanetarnego otaczającego gwiazdę, w rezultacie formując planetę typu gazowy olbrzym. Ten scenariusz – tak zwany proces oddolny – może zająć kilka milionów lat.

Konkurencyjnym pomysłem na rodzenie się planet jest proces odgórny, w którym planety gazowe mogą tworzyć się bezpośrednio w zapadającym się grawitacyjnie obłoku gazu w dysku, nieco podobnie jak gwiazdy. W tym modelu dyski wokół gwiazd są niestabilne grawitacyjnie. Na skutek tej niestabilności dzielą się z czasem na fragmenty – skupiska materii, które z czasem ulegają zagęszczeniu i ostatecznie ewoluują w planety.

Hipoteza akrecji jądra jest badana od dawna. Wiemy, że może odpowiedzieć na wiele pytań związanych z powstawaniem Układu Słonecznego. Z drugiej strony model odgórny i niestabilność dysku lepiej tłumaczy istnienie niektórych egzoplanet odkrytych w ostatnich dekadach. Naukowa atrakcyjność scenariusza odgórnego polega także na tym, że formowanie się planet w teorii zachodzi w nim bardzo szybko, w ciągu kilku tysięcy lat, co jest z kolei zgodne z obserwacjami świadczącymi o obecności egzoplanet w bardzo młodych dyskach okołogwiazdowych. W swoich symulacjach Fenton i Stamatellos postawili zatem na ten model, koncentrując się na gazowych planetach-olbrzymach powstających w wyniku niestabilności dysku.

Zazwyczaj w obrębie dysku tworzy się kilka planet. Symulacje wykazały, że protoplanety te mają kształt spłaszczonej sferoidy, podobny do słynnych draży M&M's. Nie są zatem kulami, a ich wzrost polega na zasysaniu gazu dyskowego głównie za pośrednictwem ich okolic biegunowych, a nie równikowych. Nowo powstałe gazowe olbrzymy najwyraźniej mogą być silnie spłaszczone przez to, że powstają w wyniku kompresji materii w obrębie już płaskiej struktury, jaką jest dysk protoplanetarny, ale też ze względu na sposób, w jaki się w tym dysku obracają.

Technicznie rzecz biorąc, planety Układu Słonecznego są również spłaszczonymi sferoidami, ale ich spłaszczenie jest nieznaczne. Dla rekordzisty pod tym względem, czyli Saturna, wynosi wprawdzie aż 10 proc., ale w przypadku Jowisza już 6 proc., a Ziemi – zaledwie 0,3 proc. Dla porównania, typowe spłaszczenie protoplanet powstałych w symulacji komputerowej zespołu dochodziło nawet do 90 proc. Tak silne spłaszczenie wpływa na różne właściwości protoplanet i będzie musiało być brane pod uwagę przy interpretacji ich przyszłych, rzeczywistych już obserwacji.

Spłaszczenie nie jest też czymś danym na zawsze. Jądra protoplanet, które ostatecznie przekształcą się w gazowe olbrzymy o znanej nam postaci, są znacznie mniej spłaszczone, bo tylko o około 20 proc. Astronomowie podejrzewają, że z czasem staną się one o wiele bardziej kuliste.

W najprostszym przybliżeniu Ziemia i inne planety skaliste – także te krążące wokół innych gwiazd – nadal są kuliste. Globy takie jak Ziemia czy Mars nie mogą powstawać w wyniku niestabilności dysku. Tworzą się raczej poprzez powolne łączenie (zlepianie się ze sobą) cząstek pyłu w kamyki i skały, następnie obiekty o rozmiarach kilometrów, i ostatecznie pełnoprawne planety. Są zbyt gęste, aby mogły ulec znacznemu spłaszczeniu, nawet gdy dopiero się formują. Nie ma więc możliwości, aby Ziemia została kiedykolwiek spłaszczona w tak dużym stopniu, nawet gdy była młoda. Zwolennicy wszelkich koncepcji płaskiej Ziemi także w tym przypadku nie znajdą więc żadnego punktu zaczepienia dla swoich idei.

Badania przeprowadzone przez brytyjskich uczonych potwierdzają rolę niestabilności dysku w przypadku pewnych typów układów planetarnych. Obecnie przechodzimy od ery odkrywania egzoplanet do ery ich dokładnego charakteryzowania. Budowane dziś, nowe teleskopy pomogą zapewne odkryć więcej protoplanet osadzonych w dyskach. Obserwacje tych młodych planet stają się powoli coraz bardziej realne także dzięki istniejącym instrumentom obserwacyjnym, takim jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, sieć ALMA czy Very Large Telescope. Również przewidywania modeli komputerowych stają się coraz bardziej precyzyjne.

Moc superkomputerów i możliwość porównywania modeli teoretycznych z obserwacjami przybliżają nas przy tym także do lepszego zrozumienia początków naszego Układu Słonecznego.

Opis i rezultaty badań opublikowano w czasopiśmie "Astronomy and Astrophysics Letters" (DOI: 10.1051/0004-6361/202348753).

Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora