در 25 سال گذشته ، دانشمندان بیش از 4000 سیاره را در خارج از مرزهای منظومه شمسی کشف کرده اند. از سیاره های آب و سنگ نسبتاً کوچک گرفته تا غول های گازی داغ تاول زده ، این سیارات تنوع قابل توجهی از خود به نمایش می گذارند. این تنوع دور از انتظار نیست. مدل های پیچیده رایانه ای ، که دانشمندان با استفاده از آنها شکل گیری سیارات را مطالعه می کنند ، نیز سیارات بسیار متفاوتی را تخم ریزی می کنند. آنچه که مدل ها برای توضیح بیشتر مشکل دارند توزیع جرم مشاهده شده سیارات کشف شده در اطراف سایر ستارگان است. بیشتر آنها در گروه جرم میانی قرار گرفته اند - سیاره هایی با جرم های مختلف جرم زمین تا حوالی نپتون. حتی در زمینه منظومه شمسی ، شکل گیری اورانوس و نپتون یک معما باقی مانده است. دانشمندان دانشگاه های زوریخ و کمبریج ، مرتبط با سیارات NCCR سوئیس ، اکنون یک توضیح جایگزین ارائه داده اند که با شبیه سازی های جامع پشتیبانی می شود. نتایج آنها در مجله علمی Nature Astronomy منتشر شد.
دو نیروی متضاد ...
لوسیو مایر ، همیار مطالعه و استاد اخترفیزیک محاسباتی در دانشگاه زوریخ ، و عضو سیارات NCCR ، "وقتی سیارات از دیسک اصطلاحاً پیش سیاره گاز و گرد و غبار تشکیل می شوند ، بی ثباتی های گرانشی می توانند مکانیسم حرکت باشند." توضیح می دهد در این فرایند ، گرد و غبار و گاز موجود در دیسک به دلیل جاذبه بهم می پیوندند و ساختارهای مارپیچی متراکمی را ایجاد می کنند. این ها سپس به بلوک های سازنده سیاره ها و در نهایت سیارات تبدیل می شوند.
مقیاسی که این فرآیند روی آن اتفاق می افتد بسیار بزرگ است - گستردگی آن مقیاس دیسک پیش سیاره ای است. مایر توضیح می دهد: "اما در فواصل كوچكتر - مقیاس سیارات منفرد - نیرویی دیگر سلطه دارد: آن میدان های مغناطیسی در كنار سیاره ها هستند." این میدان های مغناطیسی گاز و گرد و غبار دیسک را برانگیخته و در نتیجه بر شکل گیری سیارات تأثیر می گذارند. "برای به دست آوردن یک تصویر کامل از روند شکل گیری سیارات ، مهم است که نه تنها ساختار مارپیچی مقیاس بزرگ در دیسک شبیه سازی شود. میدان های مغناطیسی در مقیاس کوچک در اطراف بلوک های سازنده سیاره ای نیز باید شامل شوند. "، نویسنده اصلی این مطالعه ، دانشجوی دکترای سابق مایر و هم اکنون پژوهشگر دانشگاه کمبریج ، هونگ پینگ دنگ می گوید.
درک همزمان آنها دشوار است
با این حال ، تفاوت در مقیاس و ماهیت جاذبه و نیروی مغناطیس باعث می شود که این دو نیرو برای ادغام در همان مدل تشکیل سیاره بسیار چالش برانگیز باشد. تاکنون ، شبیه سازی های رایانه ای که تأثیرات یکی از نیروها را به خوبی به تصویر می کشید ، معمولاً با نیروی دیگر عملکرد ضعیفی داشت. برای موفقیت ، تیم یک تکنیک مدل سازی جدید را توسعه داد. این امر به تخصص در زمینه های مختلف نیاز داشت: اول ، آنها به درک نظری عمیقی از گرانش و مغناطیس نیاز داشتند. سپس ، محققان مجبور شدند راهی برای ترجمه درک به کدی پیدا کنند که بتواند به طور کارآمد این نیروهای متضاد را یکپارچه محاسبه کند. سرانجام ، به دلیل تعداد زیاد محاسبات لازم ، یک کامپیوتر قدرتمند مورد نیاز بود - مانند "Piz Daint" در مرکز ملی فوق رایانه سوئیس (CSCS). لوسیو مایر می گوید: "جدا از بینش نظری و ابزارهای تکنیکی که ایجاد کردیم ، به پیشرفت قدرت محاسباتی نیز وابسته بودیم."
معمای قدیمی چند دهه حل شده است؟
در برابر شانس ، همه چیز در زمان مناسب جمع شده و دستیابی به موفقیت را امکان پذیر می کند. "با مدل خود ، ما برای اولین بار توانستیم نشان دهیم که میدان های مغناطیسی ادامه تجمع جرم فراتر از یک نقطه خاص را برای سیارات در حال رشد دشوار می کند. در نتیجه ، سیارات غول پیکر بسیار نادرتر و مکرر سیارات با جرم متوسط می شوند - شبیه آنچه در واقعیت مشاهده می کنیم. "
"این نتایج فقط اولین قدم است ، اما آنها به وضوح اهمیت محاسبه فرآیندهای فیزیکی بیشتر در شبیه سازی های تشکیل سیاره را نشان می دهند. مطالعه ما به درک مسیرهای بالقوه شکل گیری سیارات با جرم متوسط که در کهکشان ما بسیار رایج است ، کمک می کند. همچنین به ما کمک می کند تا به طور کلی دیسک های پیش سیاره را درک کنیم. "نتیجه گیری راویت هلد ، نویسنده مطالعه و استاد اخترفیزیک نظری در دانشگاه زوریخ و عضو NCCR PlanetS.
