Islinjens betydelse för planetbildning

För några dagar sedan försvarade lundaastronomen Katrin Ros sin doktorsavhandling som visar på den så kallade islinjens betydelse för planetbildning. Avhandlingen heter The role of ice in planet formation och finns att läsa här på Lunds universitets forskningsportal.

I avhandlingen presenteras på ett populärvetenskapligt vis – på svenska – avhandlingens bärande teser. Den framställningen följer nedan. Avhandlingen styrker ytterligare lundaastronomernas roll i utforskningen av hur planeter egentligen bildas. Det handlar mycket om datakraft i beräkningarna.

Handledare har varit professorerna Anders Johansen och Nils Ryde.

Ordet till Katrin Ros:

Att ta reda på hur planetsystem bildas är ingen lätt uppgift. Vi har vårt eget planetsystem – solsystemet – att utgå ifrån, men vår sol och dess planeter var färdiga med att bildas redan för flera miljarder år sedan. Trots det kan vi hitta ledtrådar till hur bildningsprocessen gick till i slutprodukten: själva planetsystemet som vi bor i. För tjugo år sedan fick vi också tillgång till fler ledtrådar till planetbildningsprocessen då den första exoplaneten, det vill säga den första planeten utanför vårt solsystem, hittades.

Idag vet vi att exoplaneter är vanliga i Vintergatan, och vi kan kombinera vår kunskap om alla de system vi känner till för att skapa en mer sammanhängande bild av resultatet av planetbildningsprocesserna. Som tur är har vi numera också mer direkt information i form av observationer av planetbildning såsom den sker just nu, i så kallade protoplanetära skivor. Dessa är skivor av gas, stoft och is som omger unga stjärnor, och det är i dessa skivor som planetbildning sker. Till en början är de fasta ämnena i dessa skivor i form av mikrometerstora damm och iskorn, och under skivans livstid på några miljoner år växer denna fasta komponent till planeter.
Min avhandling handlar om att förstå hur den fasta komponenten i de protoplanetära skivorna går från små mikrometerstora stoft- och iskorn till större kroppar, som sedan kan bilda planeter. Medan de fortfarande är små, kan kornen växa genom kollisioner, men när de passerat ungefär millimeterstorlek resulterar kollisioner inte längre i tillväxt, utan istället i att de slås sönder eller studsar mot varandra.
Därefter är nästa steg i tillväxtprocessen att partiklar klumpas ihop till en större klump med en kritisk koncentration och storlek, där den kollapsar av sin egen gravitation. Detta resulterar i en kilometerstor fast kropp som vi kallar planetesimal. Sådana planetesimaler kan ses än idag i solsystemet i form av till exempel asteroider och kometer, som helt enkelt är överblivna planetesimaler från när solsystemet bildades.
Det finns dock ett problem här. För att dessa planetesimaler ska kunna bildas genom att partiklar koncentreras och klumpas ihop, måste dessa partiklar först både bli tillräckligt stora, och uppnå en tillräckligt hög koncentration. Dessa villkor uppfylls tyvärr inte hur som helst eller var som helst i den protoplanetära skivan. Därför letar vi efter speciella platser i skivan, där antingen partikeltillväxten är extra gynnsam eller där partikelkoncentrationen kan bli extra hög.

Ill till en av Katrin Ros föreläsningar 2019.

En plats som har potential att vara just en sådan extra gynnsam plats är den så kallade frostlinjen eller islinjen. Eftersom det är varmare närmre stjärnan än längre ut från den hittar vi vatten i form av ånga längst in mot stjärnan och i form vi av is längre ut. Avståndet från stjärnan där övergången mellan vattenånga och is sker är det vi kallar för islinjen.

I det tidiga solsystemet låg islinjen mitt emellan Mars och Jupiter, och man tror att det är just islinjen som bidragit till att de mindre planeterna alla ligger innanför denna position, medan de större ligger utanför. Vid islinjen är det lättare för planetesimaler att bildas, både för att andelen fast material ökar där, och för att partiklar där kan växa även genom kondensation och inte bara genom kollisioner. När partiklar med ett ishölje passerar islinjen blir isen till vattenånga genom sublimation. Ångan kan passera tillbaka till den kallare delen av den protoplanetära skivan, där den kondenserar då den möter fasta partiklar. Detta leder till att de partiklar som befinner sig där kan växa större.

Två rester efter planetisimaler i vårt eget solsystem: överst kometen 67P/ChuryumovGerasimenko dokumenterad av ESA-sonden Rosetta 2015, underst Kuiperbältobjektet Arrokoth fotograferat av NASA:s New Horizon 2019. Bildkällor:
ESA/Rosetta/MPS, NASA/Johns Hopkins University
Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/National Optical Astronomy Observatory

I min avhandling har jag studerat just denna mekanism i datorsimuleringar och i laboratorieexperiment. Vi har undersökt både en lugn protoplanetär skiva och en skiva som just har genomgått ett stjärnutbrott, där temperaturen plötsligt höjts i den omgivande skivan. Sådana utbrott är vanliga hos unga stjärnor och resulterar i att islinjen tillfälligt förflyttas utåt. I båda fallen visar våra resultat att kondensation kan bidra till att partiklar snabbt växer till ungefär centimeterstorlek.
Vi har också sett att det är möjligt att koncentrationen av partiklar blir tillräckligt hög för att planetesimaler skulle kunna bildas. Dessutom har vi visat att ånga kondenserar lättare på partiklar som redan har ett ishölje än på partiklar utan ishölje i protoplanetära skivor. Detta resulterar i att isiga partiklar kan växa sig stora lokalt vid islinjen, medan stoftpartiklar utan ishölje tenderar att stanna vid stoftstorlek och sprids därmed lättare ut i den omgivande gasen.

För att sammanfatta, visar våra resultat att kondensation är en viktig tillväxtmekanism för stoftpartiklar i protoplanetära skivor, vilket gör islinjen till en potentiellt gynnnsam plats för fortsatt tillväxt mot planetesimaler och planeter.