Akkresjon av planetesimaler

Svært små korn kan møtes på grunn av tilfeldig termisk bevegelse, kalt Brownsk bevegelse. Etter en skånsom kollisjon kan overflatekrefter holde dem sammen. Når ansamlingene vokser, fører sedimentering, turbulens og ulik bevegelse i gassen til nye kollisjoner.[2]

Ikke alle kollisjoner av denne typen øker massen. Ansamlinger kan presses sammen og sprette tilbake, miste materiale eller gå i oppløsning. Resultatet avhenger av kollisjonshastigheten, partikkelstørrelsen, porøsiteten og sammensetningen. En vekstmetode som fungerer for én type støv, fungerer kanskje ikke for andre.[3]

Is endrer forholdene, men løser ikke problemet

Utenfor snølinjen for et bestemt stoff kan is bli en del av et korn eller en ansamling. Virkningen på sammenklebingen avhenger av stoffet og temperaturen. Ordet «isete» betyr ikke i seg selv at hver kollisjon er skånsom, eller at veksten fortsetter uten hindringer.[4]

Partikler kan drive av gårde mens de vokser

Der gassens trykk avtar med avstanden fra stjernen, går trykkstøttet gass litt saktere i bane enn et legeme som holdes i bane bare av sin egen bevegelse. En fast partikkel som samvirker med denne gassen, utsettes for motvind og kan derfor drive innover. Den fysiske størrelsen på de mest utsatte partiklene avhenger av de lokale gassforholdene.[2]

Begrepet «barrieren ved meterstørrelse» omfatter disse utfordringene knyttet til vekst og drift. Det er ikke en universell hindring som oppstår når en partikkel når nøyaktig én meter, og det er heller ikke slik at alle partikler har like kort tid igjen før de faller inn i moderstjernen.[2]

Én lovende dannelsesvei starter med at mange partikler samles, og gravitasjonen fullfører sammenslåingen deres. Et trykkmaksimum kan bidra til å fange opp drivende faste partikler. Under de rette forholdene kan samspillet mellom gass og partikler forsterke konsentrasjonen deres ytterligere.[5]

Strømningsinstabiliteten endrer selve strømningen

Støv påvirkes av gassens aerodynamiske motstand, men påvirker også gassen. Denne strømningsinstabiliteten oppstår på grunn av dette gjensidige samspillet og den relative bevegelsen. Den kan forsterkes også uten egen gravitasjon: I utgangspunktet er dette en måte partikler samler seg på, ikke selve gravitasjonskollapsen.[6]

Hvis en ansamling blir tett nok, kan dens egen gravitasjon overvinne spredningen og den ødeleggende virkningen av orbital skjærkraft. Numeriske simuleringer viser at gravitasjonsbundne planetesimaler da kan dannes fra partikkelansamlinger. Massen og størrelsen deres avhenger av den modellerte skiven og kollapsforholdene.[7]

Det finnes ingen universell terskel for partikkelkonsentrasjon

Alle disse faktorene er viktige: koblingen mellom partikler og gass, mengden fast materiale, turbulens og den bakgrunnsbestemte trykkgradienten. Simuleringer undersøker hvilke kombinasjoner som fører til sterk partikkelkonsentrasjon. Tersklene som fastsettes, gjelder under bestemte forhold; støvprosenten alene kan ikke avgjøre utfallet i hver enkelt faktisk skive.[8], [9]

Se for deg to harde legemer som nærmer seg hverandre. Uten gjensidig tiltrekning ville overflatene deres bare berøre hverandre hvis de beveget seg langs et smalt område av mulige baner. Gravitasjonen bøyer banene deres, slik at noen legemer som ellers så vidt ville ha passert hverandre, kolliderer. Denne økningen av kollisjonsmålet kalles gravitasjonsfokusering.[10]

I det isolerte tolegemeproblemet kan gravitasjonell avbøyning av banen alene ikke fange et legeme som i utgangspunktet ikke er gravitasjonelt bundet, for alltid. For at et legeme skal fanges over lengre tid, må en kollisjon, gassmotstand eller vekselvirkning med et annet legeme endre den relevante energibalansen.[11]

Et legeme i vekst blir et større fysisk mål og kan ha sterkere gravitasjonsfokusering. Når denne fordelen gjør at den relative veksten blir raskere enn hos mindre nabolegemer, begynner akselerert vekst i legemepopulasjonen. Noen få legemer begynner å skille seg ut fra de andre i masse.[12]

Dynamisk eksitasjon og hemming konkurrerer

Gravitasjonelle nærpasseringer forsterker den uordnede bevegelsen. Gassmotstand, uelastiske kollisjoner og utveksling av bevegelse mellom legemer av ulik størrelse kan dempe eller omfordele denne eksitasjonen. Balansen mellom disse prosessene endrer kollisjonsfrekvensen og avgjør om nærpasseringene er skånsomme nok til at legemene kan samle opp materiale.[10]

Et legemes næringssone er området som materialet lett kan nå legemet fra. Dette er ingen fast grense: spredning, migrasjon og tilførsel av faste partikler kan endre hvilket materiale som blir tilgjengelig. Når materiale fjernes fra nærområdet, kan én vekstfase avta, mens systemets utvikling fortsetter.[13]

Småsteinsakkresjon utnytter gravitasjon og gassmotstand. Når en liten fast partikkel passerer en større embryo, kan gassmotstanden dempe dens relative bevegelse nok til at den begynner å falle langsomt mot embryoet, i stedet for å unnslippe etter nærpasseringen. Under gunstige forhold kan dette være en effektiv måte å øke massen på.[14]

Disse kategoriene beskriver vekstprosesser og aerodynamisk atferd, ikke en universell skala som deler partikler inn etter én nøyaktig definert diameter.[15], [12]

Det er ikke nok å komme inn i gravitasjonsområdet

Størrelsen som kalles Hill-radiusen , angir skalaen der embryoets gravitasjon konkurrerer med stjernens tidevannspåvirkning. Bondi-skalaen gjør det mulig å sammenligne gravitasjonspåvirkningen med gasstrykk eller relativ bevegelse under et møte mellom legemer, avhengig av problemstillingen. Ingen av dem er en overflate som automatisk fanger alt som krysser den.[15]

Vellykket innfanging av småstein avhenger av den samlede motstandskraften, varigheten av møtet mellom legemene og gravitasjonspåvirkningen fra embryoet. Derfor krever småsteinsakkresjon et embryo som allerede har dannet seg; i seg selv forklarer den ikke hvordan det første embryoet ble dannet av mikroskopiske korn.[14]

Tilførselen av materiale er heller ikke ubegrenset. Andre legemer kan fange opp materiale som driver innover, og en planet med tilstrekkelig stor påvirkning kan endre trykkprofilen i skiven og hindre småstein i å strømme innover. Selv en mekanisme for rask vekst avhenger av materialet som når den.[16]

Sammenstøtets utfall påvirkes av støthastigheten, vinkelen, masseforholdet og den indre strukturen. Derfor kan det gi et misvisende bilde av planetdannelsen å behandle hvert sammenstøt som en fullstendig sammensmelting.[17]

Disse utfallene utgjør et kontinuum. Noen fragmenter kan komme sammen igjen eller senere bli samlet opp av andre legemer, mens andre fjernes fra den lokale vekstprosessen.[17]

Også små legemer har sin egen utviklingshistorie

Tidlige planetesimaler kan ha blitt varmet opp av radioaktivt henfall, særlig henfallet av aluminium-26. Noen smeltet og lagdelte seg i metallrike kjerner og steinete ytre lag; i andre reagerte vann med mineraler. Dermed kunne et relativt lite legeme bli kjemisk sammensatt lenge før de endelige planetene ble dannet.[18], [19]

Asteroider som «Bennu» kan bevare tidlige bestanddeler og samtidig vitne om endringer og oppløsning av et større moderlegeme. Ved å undersøke disse endringene kan man rekonstruere opprinnelsen deres.[19]

Laboratorier tester kontaktmønstre

Eksperimenter fastslår når aggregater kleber seg sammen, spretter fra hverandre, komprimeres eller går i oppløsning. Resultatene setter begrensninger for kollisjonsmodeller som forskere senere anvender på ulike diskforhold. Et eksperiment kan teste hvordan materialer oppfører seg uten å gjenskape hele planetsystemet.[3]

«Arrokoth» vitner om en skånsom sammenslåing

Sonden «New Horizons» besøkte et objekt i Kuiperbeltet, «Arrokoth», i 2019. I en analyse publisert i 2020 ble de sammenvokste lappene og andre egenskaper tolket som tegn på en skånsom sammenslåing, i tråd med dannelse gjennom lokal skykollaps. Dette er en verdifull begrensning for modeller av tidlig opphopning av legemer, men ikke et entydig bevis på strømningsinstabilitet.[20]

Pargabenti prøver avslører både ingrediensene og hvordan de har endret seg

OSIRIS-REx-sonden hentet tilbake materiale fra asteroiden «Bennu» i 2023. I den første undersøkelsen av prøven, som ble omtalt i 2024, fant man mye karbonholdig materiale og mineraler som vitner om vannrelaterte forandringer i moderlegemet. Prøvene bevarte informasjon både om bestanddelene og prosessene de hadde gjennomgått.[19]

Prøver fra asteroiden «Ryugu», hentet tilbake av sonden «Hayabusa2», viser også omfattende forandringer som fant sted i nærvær av vann. Disse funnene viser hvorfor «eldgammel» og «uforandret» er to ulike påstander: Historien som er nedtegnet i mineralene, kan være like informativ som det opprinnelige materialet.[21]

Fjerne skiver viser miljøet, men ikke alle byggesteinene

Teleskoper kan kartlegge støvkonsentrasjoner i unge skiver og støv som dannes ved kollisjoner i eldre avfallsskiver. Vanligvis kan de ikke skille ut enkeltstående planetesimaler på størrelse med en kilometer i fjerne systemer. Forskerne sammenligner disse indirekte tegnene med modeller og undersøker samtidig om de samme observasjonene kan forklares av ulike fysiske prosesser.[22], [23]

Planetesimaler og planetembryoene som dannes av dem, kan bli en del av steinplaneter og de faste kjernene til gasskjemper. Den relative betydningen av planetesimalakkresjon, oppsamling av småstein og sammenslåing av embryoer kan variere mellom systemene.[13]

Gasskjemper må samle opp gass mens den fortsatt finnes

En kjerne trenger ikke å nå en universell grense på ti jordmasser for i det hele tatt å kunne holde på gass. Dannelsen av en massiv gasskappe avhenger av avkjøling, fortsatt akkresjon av fast materiale og gasstilførselen i skiven. Derfor må veksten av en gasskjempe passe med utviklingen og levetiden til skiven rundt den.[24]

Steinverdener kan fortsette å dannes etter at gassen har forsvunnet

Embryoer kan fortsatt spres og kollidere selv etter at mesteparten av den opprinnelige gassen har forsvunnet. Materiale som kommer utenfra, kan tilføre vannholdige mineraler, is og organiske forbindelser. Bidraget fra dette materialet og tidspunktet for tilførselen varierer. Jordens vann kan ikke forklares med én universell kilde som er felles for alle planetene.[13]

Noe av materialet blir igjen i mindre legemer

Ikke alle embryoer blir en del av en stor planet. Restbestandene av smålegemer utsettes for kollisjoner, og banene deres endres. Noen ganger dannes det observerbare støvbånd som følge av dette. Disse overlevende legemene lar oss studere et resultat av planetdannelsen som lett blir oversett når all oppmerksomhet rettes mot de største verdenene.[23]