24 oktober 2021

Astrofysici ontwikkelen computermodel waarin zwaartekracht en magnetisme in een protoplanetaire schijf gecombineerd worden

Een onderzoeksteam o.l.v. Lucio Mayer, hoogleraar computationele astrofysica aan de Universiteit van Zürich heeft een computersimulatiemodel ontwikkeld waarin twee processen van planeetvorming, planeetontwikkeling en magnetische veldvorming, gecombineerd worden. Voorheen moesten deze processen in afzonderlijke modellen weergegeven worden.

Spiraalvormige dichtheidsgolf in een protoplanetaire schijf van 0,13 zonsmassa rond een zonnemassa-ster. De spiraalvormige golven strekken zich uit van 5 AU (AU, afstand aarde-zon) tot 25 AU. De spiraalvormige dichtheidsgolf versterkt de magnetische velden (rechter afb.) in zijn buurt efficiënt. Credits: Hongping Deng

Vanuit een protoplanetaire schijf, bestaande uit gas en stof, die rond de zon draait, ontwikkelden de aarde en de andere planeten van ons zonnestelsel zich ooit samen met hun manen (n.1). Eenzelfde proces moet zich, zo nemen wetenschappers aan, ook afspelen c.q. afgespeeld hebben voor de talloze exoplaneten die de afgelopen decennia ontdekt zijn (n.2). Astrofysici maken geregeld gebruik van computersimulaties om de processen die zich afspelen bij planeetvorming (n.3) uit deze protoplanetaire schijven beter te doorgronden, en in dit onderzoek betrof het de groei van de massa van een planeet en de vorming van het magnetische veld. Tot voor kort waren deze twee processen – planeetontwikkeling en magnetische veldvorming – afzonderlijke onderzoeksgebieden en werden de processen gesimuleerd in afzonderlijke computermodellen. Mayer’s team bestaande uit Hongping Deng, een voormalig Ph.D. student van Mayer en Henrik Latter, universitair docent aan de Universiteit van Cambridge, slaagden erin deze beide processen voor het eerst te combineren in een computersimulatie. De resulaten zijn recent gepubliceerd in The Astrophysical Journal (n.4).

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.
 
Met behulp van ‘Piz Daint’ heeft dit team nu de ontwikkeling van de protoplanetaire schijf gesimuleerd, zowel onder invloed van de zwaartekracht als in de aanwezigheid van een magnetisch veld, en ontdekten daarbij een volledig nieuw mechanisme dat eerder onverklaarde waarnemingen zou kunnen verklaren. Één van deze onverklaarbare waarnemingen is dat planeten in ons zonnestelsel tegenwoordig veel langzamer roteren dan de protoplanetaire schijf waaruit ze ooit moeten zijn voortgekomen. Tijdens de vorming van planeten, maar ook van sterren en zwarte gaten, moeten enorme hoeveelheden impulsmoment verloren gaan, maar hoe dit kon is niet duidelijk. Dit zogenaamde impulsmomentprobleem is bekend in de astrofysica (n.6). De simulatie brengt volgens Mayer meer inzicht in dit probleem. 

Zijaanzicht van de spiraaldichtheidsgolven onthult grootschalige snelheidsbewegingen naast het spiraalcentrum die dienen om magnetische velden op te trekken en te versterken. Credits; Hongping Deng CSCS

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.”

De onderzoekers hopen in de nabije toekomst de winden en de uitstoot van materie in de vroege levensfase van protoplanetaire schijven te kunnen gaan observeren met extreem krachtige telescopen zoals de ALMA in Chili of de Square Kilometer Array (SKA) die momenteel in aanbouw is. Deng doet nu onderzoek als SNF Fellow aan de Universiteit van Cambridge. Het nieuwe doel is om de onderzoeksresultaten te onderbouwen, bijvoorbeeld door ze – ook met andere onderzoeksgroepen – te gebruiken voor het simuleren van verschillende kosmische structuren, zoals de eerste grote zwarte gaten die zich in het heelal ontwikkelden toen de eerste sterrenstelsels zich vormden. Bronnen: Phys.org / ScienceDirect /  Newscientist

(n.1) De schijfvormige ‘wolk’ van materie wordt gevormd door de gravitationele aantrekkingskracht van reeds aanwezige massa, waaromheen verder materiaal wordt aangetrokken. Door het samentrekken van de massa ontstaat een zonnenevel en wordt als gevolg van de wet van behoud van impulsmoment de oorspronkelijke rotatiesnelheid vergroot. Hierdoor gaat de materiewolk uitplatten tot een schijf. Wanneer de protoster en de protoplanetaire schijf door een interstellaire gaswolk bewegen, heeft dat invloed op de vorm van de schijf. De initiële collaps duurt ongeveer 100.000 jaar. Uiteindelijk wordt de protoster, welke voornamelijk uit waterstof bestaat, een T Tauri type ster of een Herbig Ae/Be-ster. Na ongeveer 10 miljoen jaar is de wolk volledig uitgeplat en de schijf verdwenen. 
(n.2) Citaat: “Technologisch is het nog altijd lastig om een identiek tweelingzusje van de aarde te vinden, dus de vraag of de aarde en het zonnestelsel uniek zijn in een kosmisch perspectief blijft vooralsnog onbeantwoord. Wel is duidelijk dat exoplaneten zeer divers zijn: er zijn meerdere planeetcategorieën ontdekt onbekend in ons zonnestelsel, zoals ‘super-aardes’ (rotsachtige planeten die een paar keer zo massief zijn als de aarde, en typisch op korte afstanden van hun ster cirkelen), en ‘hete Jupiters’ (zware gasreuzen die zeer dicht rondom hun ster draaien).” Bron: proefschrift D. Schoonenberg, The role of water in planet formation, UvA, 2019 
(n.3) In de jaren negentig was het dominante model van hoe planeten zich vormen ‘kernaanwas’ (Eng. core accretion). In dit model botsen vaste objecten tegen elkaar op en blijven bij elkaar in een vroeg zonnestelsel. Een andere mogelijke verklaring voor planetaire vorming is het ‘gravitatie-instabiliteitsmodel’. Daarbij stort een draaiende wolk van gas, stof en ijs rond een ster in tot een schijf en vormt spiraalarmen.
(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. 
(n.6) Het impulsmomentprobleem in de astrofysica. Bron: Tom Ray, Losing spin; the angular momentum problem, Oxford University Press

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.