Planetene må vokse før gassen forsvinner

Råmaterialet til en gasskjempe er ikke tilgjengelig for alltid. Unge stjerner er omgitt av roterende protoplanetariske skiver – skiver av gass og støv som planeter dannes fra. Men skivene forsvinner gradvis når materiale faller inn mot stjernen, og når jetstrømmer, vinder og stråling blåser gass ut i rommet.

En ny undersøkelse ledet av Naman Bajaj ved University of Arizona gjør denne prosessen om til en tidslinje på tvers av mange stjernesystemer. Ved hjelp av arkivdata fra James Webb-romteleskopets midtinfrarøde instrument, MIRI, undersøkte forskerne 72 skiver rundt unge stjerner som ligner på solen. Resultatene, som er publisert i The Astronomical Journal, viser at måten skivene mister gass på, endrer seg etter hvert som systemene utvikler seg. 12

Et kappløp mellom planetvekst og gassmangel

En steinete planetkjerne kan bare bli til en gasskjempe dersom den rekker å samle en stor atmosfære av hydrogen og helium mens skiven fortsatt inneholder nok gass. Hvis skiven tømmes først, kan kjernen bli værende som en steinplanet eller ende som en mindre planet med lite gass.

Dermed blir dannelsen av gasskjemper et kappløp: Kjernen må vokse raskt nok til å fange inn atmosfæren før gasslageret rundt den forsvinner. 12

Dette er særlig relevant for planeter som Jupiter. Undersøkelsen kan ikke fastslå nøyaktig når Jupiter ble dannet, men den styrker det grunnleggende bildet av at Jupiter måtte bygge både kjernen og den massive atmosfæren sin mens det unge solsystemet fortsatt hadde en betydelig gasskive. 12

Webb fant utstrømminger i de fleste systemene

Forskerne brukte infrarød stråling fra molekyler og atomer som spor etter materiale som beveger seg bort fra skivene. Utvidet stråling fra molekylært hydrogen eller ionisert neon ble registrert i 66 av de 72 systemene. Teamet identifiserte:

• 46 koniske vinder av molekylært hydrogen, som viser bredere utstrømminger av materiale fra skivene.
• 40 høyhastighetsstråler av ionisert neon, som viser raskere og mer konsentrerte strømmer.

Alle systemene med en neonstråle viste også tegn til en bredere vind. I de fleste tilfellene kunne denne vinden spores gjennom molekylært hydrogen, mens den i resten ble sporet gjennom atomært oksygen. Koblingen knytter den smale, raske strålen til en bredere prosess som kan fjerne gass fra miljøet der planeter dannes. 2

De 72 skivene er ikke ett enkelt system som er fulgt kontinuerlig fra fødsel til modenhet. I stedet representerer de systemer på ulike stadier i den tidlige utviklingen. Når forskerne sammenligner dem, får de en evolusjonær sekvens – omtrent som en serie stillbilder som brukes til å rekonstruere hvordan tømmingen av skivene endrer seg over tid. 12

To faser i hvordan skivene tømmes

Mønsteret i undersøkelsen er forenlig med to overordnede faser som avløser hverandre i løpet av de første millioner årene av et planetsystems liv. 1

Tidlig fase: magnetiske jetstrømmer og molekylære vinder

Systemer med høyere tilvekst av materiale mot stjernen hadde oftere jetstrømmer og molekylære vinder. Det passer med en tidlig fase der magnetohydrodynamiske – altså magnetisk drevne – jetstrømmer og vinder står for en stor del av materialtapet.

Utstrømmingene kan føre gass bort samtidig som skiven fortsatt aktivt mater den unge stjernen. 12 For en planetkjerne i vekst er dette den kritiske delen av kappløpet: Skiven kan fortsatt inneholde mye gass, men den samme aktive prosessen er allerede i ferd med å tappe den.

Senere fase: svakere jetstrømmer og strålingsdrevet tap

Når tilveksten av materiale avtar, blir jetstrømmene svakere. Sporene etter de varmere molekylære vindene forsvinner først, og de gjenværende utstrømmingene blir i større grad atomære. Forskerne tolker dette som en senere fase der stråling fra stjernen, blant annet fotoevaporasjon, får større betydning for å tømme den tynnere skiven. 12

Det betyr ikke at én mekanisme brått erstatter en annen. Snarere endres den relative betydningen av de ulike prosessene etter hvert som stjernen og skiven utvikler seg. Overgangen gir forskerne bedre begrensninger på når skiftet skjer, men målingene viser foreløpig ikke hele massebudsjettet til hver enkelt vind. 12

Hvorfor noen systemer får gasskjemper

Resultatene gir en mulig fysisk forklaring på hvorfor ellers lignende unge stjernesystemer kan få svært ulik planetarkitektur. Ett system kan danne en gasskjempe dersom en kjerne blir stor nok tidlig til å starte rask oppsamling av en atmosfære. Et annet kan miste mye av gassen i skiven før kjernen når denne terskelen.

Utfallet kan påvirkes av flere forhold, blant annet skivens masse, hvor raskt planetkjernen vokser, stjernens tilvekstshistorie, styrken på magnetiske utstrømminger og mengden høyenergetisk stråling fra stjernen. Undersøkelsen støtter at vinder som driver skiven sammen, er en viktig del av forklaringen – men ikke nødvendigvis den eneste faktoren som avgjør om en gasskjempe blir dannet. 2

Dette setter også solsystemet vårt i perspektiv. Solsystemet er rundt 4,6 milliarder år gammelt, og den opprinnelige planetskapende skiven forsvant for lenge siden. Planetene vi ser i dag, er derfor resultatet av en tidlig og kortvarig konkurranse mellom planetvekst, materiale som falt inn mot den unge solen, og gass som forsvant gjennom jetstrømmer, vinder og stråling. 12

Neste steg: Hvor mye gass forsvinner egentlig?

Å kartlegge hvilke typer utstrømminger som opptrer på ulike utviklingsstadier, er et viktig første skritt. Men forekomsten alene sier ikke om vindene fjernet nok gass til å styre planetdannelsen. Forskerne vil derfor måle hvor mye masse hver vind transporterer bort, og finne ut fra hvilke avstander i skiven vindene starter. 12

Slike målinger kan knytte de infrarøde signalene til et mer konkret spørsmål: Kan de observerte utstrømmingene fjerne gass raskt nok til å endre sannsynligheten for at en Jupiter-lignende planet blir dannet?

Svaret vil hjelpe forskerne med å avgjøre om den observerte utviklingssekvensen også kan forklare, i tall, hvordan tømmingen av planetskivene bestemmer hvilke planetsystemer som til slutt blir til.