ทฤษฎีใหม่ว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นอย่างไรสวรรค์แห่งความเสถียรท่ามกลางความปั่นป่วนรุนแรงในก๊าซหมุนวนที่ล้อมรอบดาวฤกษ์อายุน้อย พื้นที่คุ้มครองเหล่านี้เป็นที่ที่ดาวเคราะห์สามารถเริ่มก่อตัวได้โดยไม่ถูกทำลาย ทฤษฎีนี้จะตีพิมพ์ในวารสารอิคารัสฉบับเดือนกุมภาพันธ์
“ นี่เป็นอีกวิธีในการเริ่มต้นดาวเคราะห์ มันแต่งงานกับทฤษฎีหลักสองประการของการก่อตัวดาวเคราะห์” Richard Durisen ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และประธานของแผนกนั้นที่ Indiana University Bloomington กล่าว Durisen เป็นผู้นำในการใช้คอมพิวเตอร์เพื่อสร้างแบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์
การดูการจำลองของเขาทำงานบนหน้าจอคอมพิวเตอร์มันเป็นเรื่องง่ายที่จะจินตนาการว่ามองลงมาจากจุดชมวิวในอวกาศระหว่างดวงดาวและดูกระบวนการเกิดขึ้นจริง
จานสีเขียวของก๊าซหมุนรอบดาวฤกษ์กลาง ในที่สุดแขนกังหันสีเหลืองจะเริ่มปรากฏขึ้นภายในดิสก์เพื่อระบุบริเวณที่ก๊าซกำลังหนาแน่น จากนั้นจะมีหยดสีแดงปรากฏขึ้นเล็กน้อยในตอนแรกก็เป็นเพียงคำใบ้ แต่ก็ค่อย ๆ มีเสถียรภาพ พื้นที่สีแดงเหล่านี้มีความหนาแน่นยิ่งขึ้นซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีการสะสมของก๊าซจำนวนเท่าใดซึ่งอาจกลายเป็นดาวเคราะห์ในภายหลัง
ก๊าซที่ปั่นป่วนและดิสก์หมุนวนเป็นสิ่งก่อสร้างทางคณิตศาสตร์โดยใช้อุทกพลศาสตร์และคอมพิวเตอร์กราฟฟิค หน้าจอคอมพิวเตอร์แสดงผลการคำนวณของนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นภาพเคลื่อนไหวที่มีสีสัน
“ นี่คือดิสก์ของก๊าซและฝุ่นที่นักดาราศาสตร์มองเห็นรอบดาวฤกษ์อายุน้อยส่วนใหญ่ซึ่งดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้น” Durisen อธิบาย “ พวกมันเหมือนวนยักษ์หมุนวนรอบดาวฤกษ์ในวงโคจร ระบบสุริยะของเรานั้นเกิดจากดิสก์ดังกล่าว”
ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่ามีดาวเคราะห์มากกว่า 130 ดวงรอบดาวฤกษ์อื่นและเกือบทั้งหมดนั้นมีมวลอย่างน้อยเท่ากับดาวพฤหัส “ ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เป็นเรื่องธรรมดามากกว่าที่เราจะคาดเดาได้เมื่อ 10 ปีก่อน” เขากล่าว “ ธรรมชาติค่อนข้างดีในการสร้างดาวเคราะห์เหล่านี้”
กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจวิธีการสร้างดาวเคราะห์เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความไม่แน่นอนของแรงโน้มถ่วงตามที่ Durisen ระบุ นักวิทยาศาสตร์เคยคิดมานานแล้วว่าหากดิสก์ก๊าซรอบดาวฤกษ์มีมวลมากและเย็นพอเกิดความไม่เสถียรเหล่านี้เกิดขึ้นทำให้แรงโน้มถ่วงของดิสก์ทำให้แรงดันแก๊สท่วมและทำให้ส่วนต่างๆของดิสก์ดึงเข้าหากันและก่อตัวเป็นกลุ่มหนาแน่น
อย่างไรก็ตามดิสก์ที่ไม่เสถียรโน้มถ่วงเป็นสภาพแวดล้อมที่มีความรุนแรง การมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุดิสก์อื่นและกระจุกอื่นสามารถทำให้ดาวเคราะห์ที่มีศักยภาพเข้าสู่ดาวกลางหรือฉีกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง หากดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นในดิสก์ที่ไม่เสถียรพวกมันต้องการสภาพแวดล้อมที่ได้รับการป้องกันมากกว่าและ Durisen คิดว่าเขาพบหนึ่ง
ในขณะที่การจำลองของเขาเริ่มทำงานวงแหวนของก๊าซจะก่อตัวในดิสก์ที่ขอบของภูมิภาคที่ไม่เสถียรและมีความหนาแน่นมาก หากอนุภาคของแข็งที่สะสมอยู่ในวงแหวนเคลื่อนที่ไปยังใจกลางวงแหวนอย่างรวดเร็วแกนกลางของดาวเคราะห์จะก่อตัวเร็วขึ้นมาก
ปัจจัยเวลามีความสำคัญ ความท้าทายที่สำคัญที่ Durisen และนักทฤษฎีอื่น ๆ เผชิญคือการค้นพบล่าสุดโดยนักดาราศาสตร์ว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เช่นดาวพฤหัสก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วตามมาตรฐานทางดาราศาสตร์ พวกเขาต้อง - มิฉะนั้นก๊าซที่พวกเขาต้องการจะหายไป
“ ตอนนี้นักดาราศาสตร์รู้ว่าดิสก์ก๊าซขนาดใหญ่รอบดาวฤกษ์อายุน้อยมักจะหายไปในช่วงเวลาไม่กี่ล้านปี” ดูเซนกล่าว “ นั่นเป็นโอกาสที่จะสร้างดาวเคราะห์ที่อุดมด้วยก๊าซ ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์และดาวเคราะห์ที่มีอยู่ทั่วไปรอบดาวฤกษ์อื่นนั้นเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ทั้งหมดและดาวเคราะห์เหล่านั้นจะต้องสร้างขึ้นในช่วงสองสามล้านปีนี้เมื่อยังมีดิสก์ก๊าซจำนวนมากอยู่รอบตัว”
ความต้องการความเร็วนี้ทำให้เกิดปัญหาสำหรับทฤษฎีใด ๆ ด้วยวิธีการที่ไม่รัดกุมในการสร้างดาวเคราะห์เช่นทฤษฎีการสะสมแกนกลางที่เป็นแบบจำลองมาตรฐานจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้
“ ในทฤษฎีการสะสมแกนหลักการก่อตัวของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เริ่มต้นด้วยกระบวนการที่คล้ายกับวิธีที่ดาวเคราะห์เช่นโลกสะสม” Durisen อธิบาย “ วัตถุแข็งปะทะกันและเกาะติดกันและขยายขนาด หากวัตถุแข็งโตขึ้นจะมีมวลประมาณ 10 เท่าของมวลโลกและยังมีแก๊สอยู่รอบ ๆ มันจะใหญ่พอที่จะจับก๊าซจำนวนมากด้วยแรงโน้มถ่วง หลังจากนั้นคุณจะได้รับการเติบโตอย่างรวดเร็วของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์”
ปัญหาคือมันใช้เวลานานในการสร้างแกนกลางที่แข็งแกร่ง - ทุก ๆ 10 - 100 ล้านปี ทฤษฎีนี้อาจใช้ได้กับดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ แต่ไม่ใช่สำหรับดาวเคราะห์หลายสิบดวงที่อยู่รอบดาวฤกษ์อื่น ดาวเคราะห์อื่น ๆ เหล่านี้หลายแห่งมีมวลของดาวพฤหัสบดีหลายเท่าและเป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างดาวเคราะห์ขนาดมหึมาดังกล่าวด้วยการเพิ่มแกนหลัก
ทฤษฎีที่ว่าความไม่แน่นอนของแรงโน้มถ่วงด้วยตัวมันเองสามารถก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ได้ถูกเสนอครั้งแรกเมื่อ 50 กว่าปีที่แล้ว เพิ่งได้รับการฟื้นฟูเนื่องจากปัญหาเกี่ยวกับทฤษฎีการสะสมหลัก ความคิดที่ว่ามวลของก๊าซจำนวนมหาศาลพังลงอย่างกระทันหันโดยแรงโน้มถ่วงเพื่อก่อตัววัตถุที่มีความหนาแน่นสูงบางทีในเวลาเพียงไม่กี่วงโคจรแน่นอนเหมาะกับกรอบเวลาที่มีอยู่ แต่มันก็มีปัญหาบางอย่างของมันเอง
ตามทฤษฎีความไม่แน่นอนของแรงโน้มถ่วงแขนกังหันก่อตัวในดิสก์แก๊สแล้วแตกออกเป็นกระจุกที่อยู่ในวงโคจรที่แตกต่างกัน กระจุกเหล่านี้มีชีวิตรอดและขยายใหญ่ขึ้นจนกระทั่งดาวเคราะห์ก่อตัวรอบตัวมัน Durisen เห็นกลุ่มก้อนเหล่านี้ในแบบจำลองของเขา - แต่พวกมันไม่ได้อยู่นาน
“ กระจุกบินวนไปรอบ ๆ แล้วตัดและสร้างใหม่และถูกทำลายซ้ำแล้วซ้ำเล่า "เขากล่าว “ ถ้าความโน้มถ่วงไม่เสถียรพอแขนกังหันก็จะแตกเป็นกอ คำถามคือเกิดอะไรขึ้นกับพวกเขา”
ผู้ร่วมเขียนบทความนี้คือ Kai Kai นักศึกษาปริญญาเอกและนักเรียนเก่าของ Durisen สองคนคือ Annie C. Mejia เพื่อนหลังปริญญาเอกในภาควิชาดาราศาสตร์มหาวิทยาลัยวอชิงตัน และ Megan K. Pickett รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์มหาวิทยาลัย Purdue University Calumet
แหล่งที่มาดั้งเดิม: ข่าวมหาวิทยาลัยอินดีแอนา
