A tudomány időnként nagy és látványos ugrásokkal, ám sokkal gyakrabban kicsiny lépésekkel halad előre a bennünket körülvevő világ mind alaposabb és pontosabb megismerése felé. Egy-egy tanulmány, egy kutatási program eredménye jellemzően megmagyaráz valamit, gyakran csupán egy kisebb részletet, amit addig nem értettünk, miközben szinte mindig további kérdéseket is felvet, így biztosítva gyakorlatilag végtelen sok további munkát a kutatóknak. Néha azonban előfordul az is, hogy egy vizsgálat után úgy érzik a tudósok, hogy távolabb kerültek a céljuktól, mint amikor belefogtak a munkába.

Most egy ilyen esetről számolunk be a bolygókeletkezés szakterületéről. Természetesen az ilyen, a kutatók várakozásaira rácáfoló, kissé talán lehangoló eredmények is fontosak, hiszen ezek is hozzájárulnak egy megbízhatóbb, robosztusabb végső tudományos elmélet megalkotásához.

A csillagok keletkezésekor a születő rendszer központi égitestjét létrehozó anyag az eredeti por- és gázfelhő forgásából adódó perdülete, vagyis impulzusmomentuma miatt nem egyetlen forró gömbbé esik össze, hanem a születő csillag körül egy anyagbefogási korong jön létre. A felhő anyaga először erre hullik, majd a korong belső súrlódása révén befelé vándorolva gyarapítja a protocsillag tömegét. Amikor végül megszületik a csillag, a korong maradványaiból kisebb égitestek, valamint bolygók keletkeznek.

A bolygók kialakulása a bolygókeletkezési korongban a mikroszkopikus porszemcséktől a kész planétáig: Dust Aggregate – az eredeti porszemcsékből összeállt porcsomó, Planetesimal – bolygókezdemény, Planet – a kialakult bolygó. Forrás: Tohoku Egyetem, JAMSTEC.

De hogyan jönnek létre ezek a bolygók? Hogyan csomósodnak össze a mikroszkopikus porszemcsék nagyobb darabkákká, és hogyan állnak össze ezek kilométeres bolygócsírákká, ahonnan a gravitáció már át tudja venni az irányítást? Nos, az őszinte válasz az, hogy nem igazán tudjuk. A folyamatok hatalmas méretskála-tartományt hidalnak át, rendkívül változatosak lehetnek, és közel sem egy irányba hatnak. Képzeljük el, hogy két hógolyót dobunk el úgy, hogy röptükben összeütközzenek. Könnyen beláthatjuk, hogy a kiinduló darabok tulajdonságaitól, valamint ütközés körülményeitől függően a két golyó összetapadhat, darabjaira szakadhat, vagy visszamaradhat egy nagyobb és több kisebb szilánk, illetve bármi egyéb köztes végeredmény is lehetséges. Ráadásul egyetlen ilyen eseménynek is rengeteg szabad paramétere van; a kiinduló testek tömege, mérete, alakja, az egymáshoz viszonyított sebességük, pályájuk és forgásuk mind sokféle lehet.

Ezeket a folyamatokat vizsgálta egy numerikus számítógépes modellel több japán kutatóintézet munkatársa, Arakava Szota vezetésével. A munka a növekvő porcsomók egy kicsiny mérettartományára korlátozódott, hiszen így is rengeteg lehetséges folyamatot kellett szimulálniuk. A 10 mm és 140 mm közötti, egyforma méretű csomók találkozását modellezve arra jutottak az asztrofizikusok, hogy a találkozás utáni összetapadás valószínűsége a méret növekedésével egyre csökken. Ez váratlan eredmény, hiszen minden jel szerint nagyon megnehezíti az ezeknél is jóval nagyobb bolygókezdemények fokozatos felépülését.

Két modellezett ütközés pillanatképei. Fent: visszapattanás némi aprózódással. Lent: összetapadás. Forrás: Arakawa et al. (2023).

A szimuláció bonyolultsága abból adódik, hogy végeselem-módszerrel az egyes porcsomók belső szerkezetét is modellezték a szakemberek, vagyis a két ütköző csomó felépítését és az ütközés során bennük végbemenő deformációkat is kiszámították. Képzelhetjük, hogy mekkora számítási teljesítményt igényelt két, egyenként 100 000 modellezett elemből álló porcsomó egyetlen ütközésének a modellezése is. Érthető tehát, hogy számos egyszerűsítéssel kellett élniük a kutatóknak, így a probléma paraméterterének csupán egy rendkívül kicsiny szegletét tudták vizsgálni ebben a munkában, és azt is láthatjuk, hogy tág tere van még a további vizsgálatoknak.

A váratlan és kontraintuitív eredmény azonban nem szegi kedvét az asztrofizikusoknak, és a vizsgálatok kiterjesztésével, szuperszámítógépek bevetésével további eshetőségeket fognak szimulálni. Mert azt biztosan tudjuk, hogy bolygók keletkeznek a világegyetemben. Előbb-utóbb pedig azt is megfejtjük, hogy hogyan.

Forrás: Tohoku Egyetem, az eredményeket ismertető tudományos közlemény