Astrofysici weten dat de gravitatie- of zwaartekrachtsinstabiliteit (GI, n.5) in een roterende materieschijf een doorslaggevende rol speelt bij de vorming van planeten. Het zorgt ervoor dat deeltjes ‘samenklonteren’ zodat structuren met een hoge dichtheid zoals spiraalarmen worden gevormd. Door deze samengevoegde structuren hebben de planeten zich snel kunnen opbouwen, over een periode van ‘slechts’ honderdduizenden jaren of zelfs minder. De effecten van het magnetische veld tijdens zwaartekrachtsinstabiliteit zijn tot nu toe minder onderzocht. Het combineren van beide processen in één simulatie is al jaren een droom van Mayer. De onderliggende fysieke processen zijn echter complex en hun representatie in de simulaties vereiste geavanceerde codes en veel rekenkracht. Hongping Deng ontwikkelde een nieuwe methode en het team heeft met deze nieuwe numerieke techniek geëxperimenteerd. Met gebruik van de ‘Piz Daint’ een supercomputer in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano, werd deze methode verder ontwikkeld en geoptimaliseerd om het prestatievermogen van de supercomputer optimaal te benutten.
Mayer: “De simulatie laat zien dat de energie die wordt gegenereerd door de interactie van het vormende magnetische veld met de zwaartekracht naar buiten werkt en een wind aandrijft die materie uit de schijf werpt. Hierdoor zou 90 procent van de massa in minder dan een miljoen jaar verloren gaan. Als dit waar is, zou dit een wenselijke voorspelling zijn, omdat veel van de inmiddels door telescopen bestudeerde protoplanetaire schijven, die zo’n miljoen jaar oud zijn, ongeveer 90 procent minder massa hebben dan tot nu toe was voorspeld door de simulaties van schijfvorming.” Uiteindelijk leidt onttrekking van energie ertoe dat de materie instort en spin verliest. De onderzoekers geloven dat ze door hun werk een volledig nieuw wrijvingsmechanisme ontdekt hebben, gegenereerd door de interactie van magnetisch veld en GI, die het impulsmoment van de schijf aanzienlijk aantast. Hongping Deng: “Dankzij de stuwende kracht van spiraaldichtheidsgolven lijkt ons nieuwe wrijvingsmechanisme nog efficiënter in gebieden met dichte protoplanetaire schijven waarin er minder geladen deeltjes zijn om het magnetische veld te ondersteunen. Dit is anders dan alle andere eerder voorgestelde mechanismen, die het magnetische veld in dergelijke regio’s niet konden ondersteunen.”
(n.4) Hongping Deng et al. Global Simulations of Self-gravitating Magnetized Protoplanetary Disks, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/ab77b2
(n.5) GI of zwaartekrachtinstabiliteiten zijn belangrijk voor de evolutie van de protoplanetaire schijven en de planeetvorming in de schijven. Delen van de roterende schijf hebben voldoende massa opgebouwd om een algemeen zwaartekrachtveld tot stand te brengen dat verhindert dat stof en gas in dat gebied wegtrekken. Met minder interne differentiële beweging is er meer kans zijn op samenklontering. GI veroorzaakt aanvankelijke overdichtheid, onderhevig aan zelfzwaartekracht, als deze ‘klonten’ potentiële energie sneller kunnen verwijderen dan druk en differentiële rotatie ze weer gladstrijken, kunnen ze instorten. De instabiliteit draagt bij aan het transport van impulsmoment in de schijf. Zwaartekrachtinstabiliteit speelt ook een belangrijke rol bij de vorming van planetesimalen, gasreuzenplaneten, bruine dwergen en binaire sterren. Waarnemingen tonen aan dat er enorme schijven zijn rond zeer jonge protosterren wat suggereert dat de schijven in een vroeg evolutionair zwaartekrachtinstabiliteit kunnen ervaren.
Speak Your Mind