Planetesimalių akrecija

Meget små korn kan mødes på grund af tilfældige termiske bevægelser, kaldet Brownsk bevægelse. Efter en blid kollision kan overfladekræfter holde dem sammen. Når aggregaterne vokser, skaber sedimentation, turbulens og forskellig bevægelse i gassen nye sammenstød.[2]

Ikke alle sammenstød øger massen. Aggregater kan blive komprimeret og springe tilbage, miste materiale eller gå i stykker. Resultatet afhænger af kollisionshastigheden, partiklernes størrelse, porøsitet og sammensætning. En vækstmetode, der virker for én type støv, virker måske ikke for andre.[3]

Is ændrer forholdene, men fjerner ikke problemerne

Uden for en bestemt materiales snelinje kan is blive en del af et korn eller en klump. Isens betydning for sammenklæbningen afhænger af materialet og temperaturen. Ordet »is« betyder ikke i sig selv, at alle sammenstød er blide, eller at væksten fortsætter uden hindringer.[4]

Partikler kan drive indad, mens de vokser

Hvor gastrykket falder med afstanden fra stjernen, kredser den trykbærende gas en smule langsommere end et legeme, der kun holdes i kredsløb af sin egen bevægelse. En fast partikel, der vekselvirker med denne gas, møder en modvind og kan derfor drive indad. Den fysiske størrelse af de mest udsatte partikler afhænger af de lokale gasforhold.[2]

Udtrykket »barrieren ved meterstørrelse« dækker over disse vanskeligheder med vækst og drift. Det er ikke en universel hindring, der opstår, når en størrelse på præcis én meter nås, og der er heller ikke lige lidt tid tilbage for alle partikler, før de falder ind i deres stjerne.[2]

En lovende dannelsesvej begynder med, at mange partikler samles, og tyngdekraften fuldender deres sammenklumpning. Et trykmaksimum kan hjælpe med at tilbageholde drivende faste partikler. Under de rette forhold kan vekselvirkningen mellem gas og partikler forstærke ophobningen yderligere.[5]

Strømningsinstabilitet ændrer selve strømningen

Støv påvirkes af gassens aerodynamiske modstand, men påvirker til gengæld også gassen. Denne strømningsinstabilitet opstår på grund af denne indbyrdes påvirkning og den relative bevægelse. Den kan blive stærkere, selv uden egen tyngdekraft: I første omgang er det en måde, partikler ophobes på, ikke selve gravitationskollapset.[6]

Hvis en klump bliver tilstrækkelig tæt, kan dens egen tyngdekraft overvinde spredningen og den nedbrydende virkning af orbital forskydning. Numeriske simuleringer viser, at der da kan dannes gravitationelt bundne planetesimaler ud fra partikelklumper. Deres masse og størrelse afhænger af den modellerede skive og kollapsforholdene.[7]

Der findes ingen universel tærskel for ophobning

Alle disse faktorer er vigtige: koblingen mellem partikler og gas, mængden af fast materiale, turbulens og den baggrundsmæssige trykgradient. Modellering undersøger, hvilke kombinationer af dem der fører til kraftig partikelophobning. De fastlagte tærskler gælder under bestemte forhold; støvprocenten alene kan ikke afgøre resultatet i enhver virkelig skive.[8], [9]

Forestil dig to faste legemer, der nærmer sig hinanden. Uden gensidig tiltrækning ville deres overflader kun komme i kontakt, hvis de bevægede sig inden for et snævert baneinterval. Tyngdekraften bøjer deres baner, så nogle legemer, der ellers lige ville passere forbi hinanden, støder sammen. Denne forøgelse af sammenstødsmålet kaldes gravitationsfokusering.[10]

I det isolerede tolegemeproblem kan gravitationel afbøjning af banen alene ikke fange et legeme, der oprindeligt ikke er gravitationelt bundet, permanent. For at et legeme kan indfanges permanent, skal et sammenstød, gasmodstand eller en vekselvirkning med et andet legeme ændre den relevante energibalance.[11]

Et voksende legeme bliver et større fysisk mål og kan have stærkere gravitationsfokusering. Når denne fordel gør dets relative vækst hurtigere end hos mindre nabolegemer, begynder accelererende vækst i populationen af legemer. Nogle få legemer begynder at skille sig ud fra de andre i masse.[12]

Dynamisk excitation og dæmpning konkurrerer

Gravitationelle tilnærmelser øger den uordnede bevægelse. Gasmodstand, uelastiske sammenstød og udveksling af bevægelse mellem legemer af forskellig størrelse kan dæmpe eller omfordele denne excitation. Balancen mellem disse processer ændrer sammenstødsfrekvensen og afgør, om tilnærmelserne er blide nok til, at legemerne kan samle materiale op.[10]

Et legemes fødezone er det område, hvorfra materiale let kan nå legemet. Det er ikke en fast grænse: spredning, migration og indkommende faste partikler kan ændre, hvilket materiale der bliver tilgængeligt. Når materiale fjernes fra de nærmeste omgivelser, kan én vækstfase gå langsommere, mens systemets udvikling fortsætter.[13]

Akkretion af småsten udnytter tyngdekraft og gasmodstand. Når en lille fast partikel passerer en større forløber, kan gasmodstanden dæmpe dens relative bevægelse tilstrækkeligt til, at den begynder at falde langsomt mod forløberen i stedet for at slippe væk efter tilnærmelsen. Under gunstige forhold kan dette være en effektiv måde at øge massen på.[14]

Disse kategorier beskriver vækstprocesser og aerodynamisk adfærd, ikke en universel skala, der inddeler partikler efter én præcist fastlagt diameter.[15], [12]

Det er ikke nok blot at komme ind i tyngdefeltets område

En størrelse kaldet Hill-radiusen angiver den skala, hvor forløberens tyngdekraft konkurrerer med stjernens tidevandspåvirkning. Bondi-skalaen gør det muligt at sammenligne tyngdepåvirkningen med gastrykket eller den relative bevægelse under et møde mellem legemer, afhængigt af det undersøgte problem. Ingen af dem er en overflade, der automatisk indfanger alt, hvad der krydser den.[15]

Vellykket indfangning af småsten afhænger af den samlede modstandskraft, hvor længe legemerne mødes, og forløberens tyngdepåvirkning. Derfor kræver akkretion af småsten, at der allerede findes en forløber; processen forklarer ikke i sig selv, hvordan den første forløber blev dannet af mikroskopiske korn.[14]

Tilførslen af materiale er heller ikke ubegrænset. Andre legemer kan opsamle materiale, der driver, og en planet med tilstrækkelig indflydelse kan ændre skivens trykprofil og hindre småsten i at strømme indad. Selv en mekanisme for hurtig vækst afhænger af det materiale, der når frem til den.[16]

Kollisionshastighed, vinkel, masseforhold og indre struktur er med til at bestemme udfaldet af et sammenstød. Derfor kan det give et forkert billede af planetdannelsen, hvis man betragter hvert sammenstød som en fuldstændig sammenvoksning.[17]

Disse udfald udgør et kontinuum. Nogle fragmenter kan vende tilbage eller senere blive opsamlet af andre legemer, mens andre fjernes fra den lokale vækstproces.[17]

Også små legemers indre har en udviklingshistorie

Tidlige planetesimaler kan være blevet opvarmet af radioaktivt henfald, især henfaldet af aluminium-26. Nogle smeltede og differentierede sig i metalrige kerner og ydre stenlag; andre gennemgik reaktioner mellem vand og mineraler. Et relativt lille legeme kunne således blive kemisk komplekst, længe før de endelige planeter blev dannet.[18], [19]

Asteroider som „Bennu“ kan bevare tidlige bestanddele og samtidig vidne om forandringer og nedbrydning af et større moderlegeme. Undersøgelsen af disse forandringer hjælper med at rekonstruere deres oprindelse.[19]

Laboratorier tester kontaktmønstre

Eksperimenter fastslår, hvornår aggregater klæber sammen, preller af, fortættes eller splittes ad. Resultaterne begrænser kollisionsmodeller, som forskere senere anvender under forskellige skiveforhold. Et eksperiment kan teste materialers adfærd uden at genskabe hele planetsystemet.[3]

„Arrokoth“ vidner om en blid sammenføjning

Sonden „New Horizons“ besøgte et objekt i Kuiperbæltet, „Arrokoth“, i 2019. I en analyse offentliggjort i 2020 blev dets sammenvoksede lober og andre egenskaber vurderet som tegn på en blid sammenføjning, hvilket stemmer overens med dannelse gennem kollaps af en lokal sky. Det er en værdifuld begrænsning for modeller af tidlig samling af legemer, men ikke et entydigt bevis på streaming-instabilitet.[20]

Pargabenti prøver afslører både bestanddele og forandringer

Sonden OSIRIS-REx bragte materiale tilbage fra asteroiden „Bennu“ i 2023. Ved den indledende undersøgelse af prøven, som blev offentliggjort i 2024, blev der fundet store mængder kulstofholdigt materiale og mineraler, der vidner om vandrelaterede ændringer i dens moderlegeme. Prøverne bevarede information om både bestanddelene og de processer, de havde gennemgået.[19]

Prøver fra asteroiden „Ryugu“, som sonden „Hayabusa2“ bragte tilbage, afslører også omfattende ændringer, der skete under påvirkning af vand. Disse fund viser, hvorfor „oprindelig“ og „uforandret“ er to forskellige påstande: Historien, der er registreret i mineralerne, kan være lige så informativ som udgangsmaterialet.[21]

Fjerne skiver afslører omgivelserne, men ikke hver eneste byggesten

Med teleskoper kan man kortlægge støvansamlinger i unge skiver og støv, der er dannet ved kollisioner i ældre affaldssystemer. De gør det som regel ikke muligt at skelne individuelle planetesimaler på størrelse med kilometer i fjerne systemer. Forskere sammenligner disse indirekte tegn med modeller og undersøger samtidig, om de samme observationer kan forklares af forskellige fysiske processer.[22], [23]

Planetesimaler og planetkim, der dannes af dem, kan blive en del af stenplaneter og kæmpeplaneters faste kerner. Den relative betydning af planetesimalakkretion, opsamling af småsten og sammensmeltning af planetkim kan variere fra system til system.[13]

Kæmpeplaneter skal opsamle gas, mens den stadig findes

En kerne behøver ikke at nå én universel grænse på ti jordmasser for overhovedet at kunne holde på gas. Dannelsen af en massiv gaskappe afhænger af afkøling, fortsat akkretion af fast materiale og gasreserverne i skiven. Derfor skal en kæmpeplanets vækst passe med skivens udvikling og levetid.[24]

Stenverdener kan fortsat dannes, efter at gassen er spredt

Planetkim kan fortsat spredes og kollidere, selv efter at størstedelen af den oprindelige gas er forsvundet. Materiale, der bringes ind fra andre steder, kan tilføre vandholdige mineraler, is og organiske forbindelser. Dette materiales bidrag og tidspunktet for tilførslen varierer; Jordens vand kan ikke forklares med én universel kilde, der er fælles for alle planeter.[13]

Noget af materialet bliver tilbage i mindre legemer

Ikke alle planetkim bliver en del af en stor planet. De tilbageværende populationer af smålegemer kolliderer, og deres baner ændrer sig; nogle gange dannes der på den måde observerbare støvbælter. Disse overlevende legemer gør det muligt at undersøge resultatet af planetdannelsen, som let overses, når al opmærksomhed rettes mod de største verdener.[23]