James Webb viser, at planetdannelse er et kapløb mod tiden

Råmaterialet til en gasgigant er ikke permanent. Unge stjerner er omgivet af roterende protoplanetariske skiver, der indeholder den gas og det støv, som planeter dannes af. Men skiverne holder ikke evigt: Jetstrømme, vinde, tilvækst på stjernen og stjernens stråling fjerner gradvist materialet.

En undersøgelse ledet af Naman Bajaj fra University of Arizona bruger observationer fra James Webb-rumteleskopets arkiv til at tegne en tidslinje for denne proces på tværs af mange systemer. Ved hjælp af data fra Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI) undersøgte forskerne 72 hældende, hovedsageligt såkaldte klasse II-skiver omkring unge stjerner, der minder om Solen. Resultaterne, som er offentliggjort i The Astronomical Journal, viser, at skivernes måde at miste gas på ændrer sig, efterhånden som de udvikler sig. 12

Det centrale resultat: Planetkernerne skal vinde over skivens opløsning

En klippeplanetkerne kan kun blive til en gasgigant, hvis den når at indfange en stor kappe af brint og helium, mens den omgivende skive stadig indeholder tilstrækkeligt med gas. Hvis skiven tømmes først, kan kernen forblive klippeagtig eller ende som en mindre, gasfattig planet. Undersøgelsen fremstiller derfor dannelsen af gasgiganter som et kapløb mellem hurtig vækst af atmosfæren og spredningen af det gasreservoir, som planeterne bygges af. 12

Det er især relevant for planeter som Jupiter. Undersøgelsen kan ikke fastslå det præcise tidspunkt, hvor Jupiter blev dannet, men den understøtter det grundlæggende krav om, at Jupiters kerne og massive atmosfære måtte samles, mens det unge Solsystem stadig havde en betydelig gasskive. 12

Hvad Webb fandt i de 72 skiver

Forskerne brugte infrarød stråling fra molekyler og atomer som spor efter materiale, der bevæger sig væk fra skiverne. Udvidet stråling fra molekylært brint eller ioniseret neon blev registreret i 66 af de 72 systemer. Holdet identificerede:

• 46 koniske vinde af molekylært brint, som viser bredere udstrømninger af materiale fra skiven.
• 40 højhastighedsjetstrømme af ioniseret neon, som viser hurtigere og mere koncentrerede strømme.

Alle systemer med en jetstrøm af ioniseret neon viste også tegn på en bredere vind. I de fleste af disse tilfælde blev den brede udstrømning sporet med molekylært brint; i resten blev den sporet med atomart ilt. Sammenfaldet forbinder den smalle, hurtige jetstrøm med en bredere proces, der kan fjerne gas fra det område, hvor planeterne dannes. 2

Udvalget er ikke ét enkelt system, der er blevet observeret uafbrudt fra fødsel til modenhed. De 72 skiver repræsenterer i stedet systemer på forskellige stadier af deres tidlige udvikling. Ved at sammenligne dem kan forskerne opstille en evolutionær rækkefølge – som en række stillbilleder, der bruges til at rekonstruere, hvordan skiverne tømmes over tid. 12

Skivernes udvikling ser ud til at ændre måden, gassen forsvinder på

Undersøgelsens mønster stemmer overens med to overordnede faser, der følger efter hinanden i løbet af de første millioner år af et planetsystems liv. 1

Den tidlige fase: magnetiske jetstrømme og molekylære vinde

Systemer med højere tilvæksthastighed på stjernen viste oftere jetstrømme og molekylære vinde. Det passer med en tidlig fase, hvor magnetohydrodynamiske – altså magnetisk drevne – jetstrømme og vinde dominerer fjernelsen af materiale fra skiven. Udstrømningerne kan føre gas væk, mens skiven stadig aktivt forsyner den unge stjerne. 12

For en voksende planetkerne er dette den kritiske del af kapløbet. Skiven kan stadig indeholde store mængder gas, men det samme aktive miljø er allerede i gang med at dræne den.

Den senere fase: svagere jetstrømme og strålingsdrevet tab

Når tilvæksten falder, bliver jetstrømmene svagere, og de varmere sporstoffer fra de molekylære vinde forsvinder først. De tilbageværende udstrømninger bliver i stigende grad atomare. Forskerne fortolker denne senere tilstand som en fase, hvor stjernens stråling – blandt andet gennem fotoafdampning – får større betydning for at rydde den tyndere skive. 12

Det betyder ikke, at én mekanisme fra det ene øjeblik til det andet afløser en anden. Snarere ændrer mekanismernes relative betydning sig, efterhånden som stjerne-skive-systemet udvikler sig. Overgangen giver forskerne bedre mulighed for at afgrænse, hvornår skiftet sker, selv om de nuværende registreringer endnu ikke indeholder det fulde massebudget for hver vind. 12

Hvorfor nogle systemer kan danne gasgiganter, mens andre ikke kan

Resultaterne giver en fysisk forklaring på, hvorfor unge systemer, der ellers ligner hinanden, kan udvikle meget forskellige planetsystemer. Et system kan danne en gasgigant, hvis en kerne bliver tilstrækkeligt massiv tidligt nok til at begynde en hurtig opsamling af en atmosfære. Et andet system kan miste en stor del af sin skivegas, før kernen når denne tærskel.

Udfaldet kan påvirkes af flere forhold, blandt andet skivens masse, hvor hurtigt planetkernen vokser, stjernens tilvæksthistorie, styrken af de magnetiske udstrømninger og mængden af højenergistråling fra stjernen. Undersøgelsen peger på, at vinddrevet opløsning af skiven er en vigtig del af forklaringen på variationen – men ikke den eneste faktor, der afgør, om en gasgigant bliver dannet. 2

Det sætter også Solsystemets arkitektur i perspektiv. Solsystemet er nu omkring 4,6 milliarder år gammelt, og den oprindelige planetdannende skive er for længst forsvundet. De planeter, der er tilbage, er derfor resultatet af en tidlig og kortvarig konkurrence mellem planetvækst, materiale, der faldt ind på den unge Sol, og gas, der slap væk gennem jetstrømme, vinde og stråling. 12

Det skal forskerne måle næste gang

Det er et vigtigt første skridt at identificere, hvilke udstrømninger der forekommer på forskellige udviklingsstadier. Men selve forekomsten fortæller ikke, om vindene fjernede gas nok til at styre planetdannelsen. Forskerholdet vil derfor måle massetabet i hver vind og fastslå, fra hvilke radier i skiven vindene udsendes. 12

De målinger kan forbinde de infrarøde signaler med et mere konkret spørgsmål: Kan de observerede udstrømninger fjerne gas hurtigt nok til at ændre sandsynligheden for, at der dannes en planet som Jupiter? Svaret vil hjælpe forskerne med at afgøre, om rækkefølgen af udviklingsstadier også direkte bestemmer, hvor meget gas der forsvinder – og dermed planetsystemets endelige arkitektur.