Planetesimalackretion

Mycket små korn kan mötas på grund av slumpmässiga termiska rörelser, som kallas Brownsk rörelse. Efter en mjuk kollision kan krafter vid ytan hålla ihop dem. När ansamlingarna växer leder sedimentation, turbulens och olikformig rörelse i gasen till nya kollisioner.[2]

Alla sådana kollisioner ökar inte massan. Ansamlingar kan pressas ihop och studsa tillbaka, förlora material eller falla sönder. Resultatet beror på kollisionshastigheten, partiklarnas storlek, porositet och sammansättning. Ett sätt att växa som fungerar för en typ av damm kanske inte fungerar för andra.[3]

Is förändrar förhållandena, men undanröjer inte problemen

Bortom en viss ämnes snölinje kan is bli en del av ett korn eller en ansamling. Hur det påverkar hopklumpningen beror på ämnet och temperaturen. Ordet ”isig” innebär inte i sig att varje kollision är mjuk eller att tillväxten fortsätter utan hinder.[4]

Partiklar kan driva inåt medan de växer

Där gastrycket minskar med avståndet från stjärnan rör sig den tryckstödda gasen något långsammare än en kropp som hålls i omloppsbana enbart av sin egen rörelse. En fast partikel som växelverkar med gasen utsätts för en motvind och kan därför driva inåt. Den fysiska storleken hos de mest utsatta partiklarna beror på de lokala gasförhållandena.[2]

Termen ”barriären vid meterstorlek” omfattar dessa tillväxt- och driftssvårigheter. Det är inte en universell barriär som uppstår när något blir exakt en meter stort, och alla partiklar har inte lika kort tid på sig innan de faller in i sin stjärna.[2]

En lovande bildningsväg börjar med att ett stort antal partiklar samlas, och gravitationen fullbordar deras sammanslagning. Ett tryckmaximum kan hjälpa till att fånga in fasta partiklar som driver inåt. Under lämpliga förhållanden kan växelverkan mellan gas och partiklar förstärka ansamlingen ytterligare.[5]

Strömningsinstabiliteten förändrar själva flödet

Damm påverkas av gasens aerodynamiska motstånd, men påverkar i sin tur också gasen. Denna strömningsinstabilitet uppstår genom denna växelverkan och den relativa rörelsen. Den kan förstärkas även utan egen gravitation: till en början är den ett sätt för partiklar att ansamlas, inte själva gravitationskollapsen.[6]

Om en ansamling blir tillräckligt tät kan dess egen gravitation övervinna spridningen och den störande effekten av orbital skjuvning. Numeriska simuleringar visar att gravitationellt bundna planetesimaler då kan bildas ur partikelansamlingar. Deras massa och storlek beror på den simulerade skivan och kollapsförhållandena.[7]

Det finns ingen universell tröskel för ansamling

Alla dessa faktorer spelar roll: kopplingen mellan partiklar och gas, mängden fast material, turbulens och den bakgrundsmässiga tryckgradienten. Med simuleringar undersöker man vilka kombinationer som leder till stark ansamling av partiklar. De fastställda tröskelvärdena gäller under specifika förhållanden; enbart andelen damm kan inte avgöra utfallet i varje verklig skiva.[8], [9]

Föreställ dig två hårda kroppar som närmar sig varandra. Utan ömsesidig attraktion skulle deras ytor bara komma i kontakt om de rörde sig längs ett smalt spann av banor. Gravitationen böjer deras banor, så att vissa kroppar som annars precis skulle ha missat varandra kolliderar. Denna förstoring av kollisionsmålet kallas gravitationsfokusering.[10]

I det isolerade tvåkroppsproblemet kan enbart gravitationell avböjning av en bana inte fånga in en kropp som från början inte är gravitationellt bunden, för gott. För att en kropp ska fångas in permanent måste en kollision, gasmotstånd eller en växelverkan med en annan kropp förändra den relevanta energibalansen.[11]

En växande kropp blir ett större fysiskt mål och kan uppvisa starkare gravitationsfokusering. När denna fördel gör att dess relativa tillväxt blir snabbare än hos mindre närliggande kroppar, börjar accelererad tillväxt i populationen. Några kroppar börjar utmärka sig genom sin massa.[12]

Dynamisk excitation och hämning konkurrerar

Gravitationella närmanden ökar den oregelbundna rörelsen. Gasmotstånd, oelastiska kollisioner och rörelseutbyte mellan kroppar av olika storlek kan dämpa eller omfördela denna excitation. Balansen mellan dessa processer förändrar kollisionsfrekvensen och avgör om närmandena är tillräckligt mjuka för att kropparna ska kunna foga material till sig.[10]

En kropps matningszon är det område från vilket material lätt kan nå kroppen. Det är inte en fast gräns: spridning, migration och inkommande fasta partiklar kan förändra vilket material som blir tillgängligt. När material har avlägsnats från den närmaste omgivningen kan ett tillväxtskede sakta ner, medan systemets utveckling fortsätter.[13]

Småstensackretion utnyttjar gravitation och gasmotstånd. När en liten fast partikel passerar en större kärna kan gasmotståndet dämpa dess relativa rörelse tillräckligt mycket för att den långsamt ska falla mot kärnan i stället för att slungas iväg efter närmandet. Under gynnsamma förhållanden kan detta vara ett effektivt sätt att öka massan.[14]

Dessa kategorier beskriver tillväxtprocesser och aerodynamiskt beteende, inte en universell skala som delar in partiklar efter en enda exakt diameter.[15], [12]

Det räcker inte att bara hamna i ett gravitationsområde

En storhet som kallas Hillradien anger den skala där kärnans gravitation konkurrerar med stjärnans tidvattenpåverkan. Bondiskalan gör det möjligt att jämföra gravitationens påverkan med gastrycket eller den relativa rörelsen när kropparna möts, beroende på vilket problem som undersöks. Ingen av dem är en yta som automatiskt fångar allt som passerar igenom den.[15]

En framgångsrik infångning av småsten beror på den sammanlagda motståndskraften, hur länge kropparna möts och kärnans gravitationella påverkan. Därför kräver småstensackretion att en kärna redan har bildats; processen förklarar inte i sig hur den första kärnan bildades av mikroskopiska korn.[14]

Tillförseln av material är inte heller obegränsad. Andra kroppar kan fånga upp drivande material, och en planet med tillräckligt stor påverkan kan förändra skivans tryckprofil och hindra småsten från att flöda inåt. Även en mekanism för snabb tillväxt är beroende av materialet som når den.[16]

Kollisionens utfall påverkas av kollisionshastigheten, vinkeln, massförhållandet och den inre strukturen. Därför kan man få en missvisande bild av planetbildningen om man betraktar varje kollision som en fullständig sammansmältning.[17]

Dessa utfall bildar ett kontinuum. En del fragment kan återvända eller senare samlas upp av andra kroppar, medan andra försvinner från den lokala tillväxtprocessen.[17]

Även små kroppars inre har en egen utvecklingshistoria

Tidiga planetesimaler kan ha värmts upp av radioaktivt sönderfall, särskilt av aluminium-26. Vissa smälte och skiktades i metallrika kärnor och yttre bergartslager, medan vatten och mineraler reagerade i andra. En relativt liten kropp kan alltså ha blivit kemiskt komplex långt innan de slutliga planeterna bildades.[18], [19]

Asteroider som ”Bennu” kan bevara ursprungliga beståndsdelar och samtidigt vittna om förändringar och sönderdelning av en större ursprungskropp. Att studera dessa förändringar hjälper oss att rekonstruera deras ursprung.[19]

Laboratorier testar kontaktförlopp

Experiment visar när aggregat klibbar ihop, studsar tillbaka, kompakteras eller splittras. Resultaten begränsar kollisionsmodeller som forskare senare tillämpar på olika förhållanden i skivan. Ett experiment kan testa hur material beter sig utan att återskapa ett helt planetsystem.[3]

”Arrokoth” vittnar om en mjuk sammanfogning

Rymdsonden ”New Horizons” besökte ett objekt i Kuiperbältet, ”Arrokoth”, år 2019. I en analys som publicerades 2020 tolkades dess sammanfogade lober och andra egenskaper som tecken på en mjuk sammanfogning, i linje med att den bildats genom kollaps av ett lokalt moln. Det ger en värdefull begränsning för modeller av tidig kroppssamling, men är inget entydigt bevis för strömningsinstabilitet.[20]

Försiktiga prover avslöjar både ingredienser och förändringar

Rymdsonden OSIRIS-REx tog med sig material från asteroiden ”Bennu” år 2023. Vid den första undersökningen av provet, som offentliggjordes 2024, upptäcktes material med hög kolhalt och mineraler som vittnar om vattenrelaterade förändringar i dess moderkropp. Proverna bevarade information både om beståndsdelarna och om de processer som de genomgick.[19]

Prover från asteroiden ”Ryugu”, som rymdsonden ”Hayabusa2” tog med sig tillbaka, avslöjar också omfattande förändringar som skett i närvaro av vatten. Dessa fynd visar varför ”uråldrig” och ”oförändrad” är olika påståenden: historien som bevarats i mineralerna kan vara lika informativ som ursprungsmaterialet.[21]

Avlägsna skivor visar miljön, men inte varje byggsten

Teleskop kan kartlägga dammansamlingar i unga skivor och damm som bildats vid kollisioner i äldre skräpsystem. Vanligtvis kan de inte urskilja enskilda planetesimaler på kilometerskala i avlägsna system. Forskare jämför dessa indirekta tecken med modeller och undersöker samtidigt om samma observationer kan förklaras av olika fysikaliska processer.[22], [23]

Planetesimaler och planetembryon som bildas av dem kan bli en del av stenplaneter och jätteplaneters fasta kärnor. Den relativa betydelsen av planetesimalackretion, infångning av småsten och sammanslagning av embryon kan variera mellan olika system.[13]

Jätteplaneter måste samla på sig gas medan den fortfarande finns kvar

En kärna behöver inte nå en universell gräns på tio jordmassor för att över huvud taget kunna hålla kvar gas. Bildandet av ett massivt gashölje beror på avkylning, fortsatt ackretion av fast material och tillgången på gas i skivan. Därför måste jätteplanetens tillväxt stämma överens med skivans utveckling och livslängd.[24]

Steniga världar kan fortsätta att bildas efter att gasen har skingrats

Embryon kan fortsätta att spridas och kollidera även efter att större delen av den ursprungliga gasen har försvunnit. Material som tillförs utifrån kan föra med sig vattenhaltiga mineraler, is och organiska föreningar. Bidraget från dessa material och tidpunkten för tillförseln varierar; jordens vatten kan inte förklaras med en enda universell källa som är gemensam för alla planeter.[13]

En del av materialet finns kvar i mindre kroppar

Alla småkroppar blir inte en del av en stor planet. De återstående populationerna av småkroppar kolliderar och deras banor förändras; ibland bildas då observerbara skräpbälten. Dessa överlevande kroppar gör det möjligt att studera ett resultat av planetbildningen som lätt förbises när all uppmärksamhet riktas mot de största världarna.[23]