Hur bildas planeter?

För att förstå hur planeter bildas måste man börja med hur stjärnorna föds.

Stjärnor bildas ur gasmoln som finns utspridda på många platser i vår galax. Ett enda moln kan innehålla mer materia än hundratusentals stjärnor - men molnets gas är gles, kall och mörk. I det gigantiska molnet finns spridda ansamlingar av gas som är lite mer kompakta än sin omgivning. Dessa börjar falla ihop under sin egen gravitation och drar omgivande gas med sig. De blir tätare och tätare och dessutom allt varmare.

Till slut blir de så varma att kärnfusion startar - och nya stjärnor tänds. Eftersom många stjärnor kan födas ur ett och samma moln hittar man ofta unga stjärnor hopklumpade i så kallade stjärnhopar. Denna "babystjärna'' liknar ännu inte alls vår sol, utan håller fortfarande på att växa och öka i ljusstyrka. 

En artistisk bild av hur man tänker sig en planetbildande gas- och stoftskiva

Gasen bildar en skiva
Bara för att stjärnan tänds slutar inte gasen längre bort att falla in mot den. Och eftersom gasmolnet rör sig kommer gasen att börja rotera in mot centrum i en spiral. På grund av fysikens lagar tenderar en roterande gas att bilda en snurrande skiva, en så kallad protoplanetär disk. Eftersom disken blir allt plattare efterhand som den roterar, kommer dess täthet också att öka (den blir allt mer kompakt allt eftersom disken blir tunnare och tunnare).

Med högre täthet är det större chans att stoft- och gaspartiklar i disken kolliderar med varandra och kanske slås samman till större korn och klumpar. Ett fåtal av dessa klumpar växer snabbare än andra och håller ihop bättre. Dessa kolliderar i sin tur och växer till vad som kan komma att bli planeter - men ännu är de bara oformliga klumpar, bara några kilometer stora. Det ska också påpekas att vi ännu inte vet om sådana klumpar kan formas i alla skivor eller om skivorna måste ha väldigt speciella egenskaper.

Mindre än 100 000 år har gått vid denna tidpunkt (exakt hur lång tid det tar är en tvistefråga). Detta är en mycket kort tid i astronomiska mått mätt. Lagom stora byggstenar för att bilda planeter finns nu i skivan. Men tiden är knapp - stjärnan i centrum har nu hunnit bli så ljusstark att själva kraften i dess ljus är på väg att "blåsa'' bort gasen som ännu inte fallit ner på den, alltså skivan där planeterna är på väg att bildas. Så hur snabbt dessa planetklumpar nu växer avgör deras öde. Växer de för långsamt kommer mycket av materialet omkring dem ha hunnit blåst bort av den växande stjärnan. När det inte finns tillräckligt mycket material kvar att kollidera med kan alltså inte dessa klumpar växa mer. De förblir oregelbundna klumpar och kan inte kallas för planeter alls. Sådana kroppar är antagligen vad vi hittar i asteroidbältet och i avlägsna delar av solsystemet.

Gasjätte eller stenplanet?
Växer en klump i stället väldigt fort finns det fortfarande mycket gas kvar när den ungefär är så stor som Jorden. Planetklumpen är då så massiv att den har en egen betydande gravitation. Den dammsuger sin närhet på gas och samlar det runt sig som en atmosfär, mycket större än kärnan själv. Dessa planeter kallas för gasjättar. Exempel på sådana planeter är Jupiter och Saturnus.

Planetklumpar som växer "lagom'' snabbt har material nog att växa sig stora, men när väl en tung kärna bildats finns inte tillräckligt med gas kvar i disken för att de ska kunna samla ihop nog till att bli gasjättar. Dessa planeter slutar i stället med relativt tunna atmosfärer och brukar kallas för stenplaneter. Jorden är en stenplanet.

Så vad är det vi inte vet?
På beskrivningen ovan kan det tyckas att vi förstår allt om hur planeter bildas, men sanningen är att detta bara är en teori. Även om man tror sig vara ganska säker på att små stenplaneter som Jorden och Mars bildas av allt större klumpar, råder det mycket skilda meningar om hur gasjättarna har kommit till. Så vad är det vi inte känner till om planetbildning? Vad återstår det att forska om? 
 

Gasplaneterna i vårt eget solsystem: Neptunus, Uranus, Saturnus och Jupiter. Bild: NASA/JPL

Svaret är: "Det mesta, faktiskt"
Den första planeten runt en normal stjärna utanför vårt solsystem hittades inte förrän så sent som 1995. Någon stenplanet har man ännu inte sett, och definitivt ingenting så litet som Jorden. Detta betyder nu inte att jordliknande planeter inte finns - människans teknologi är bara helt enkelt inte bra nog ännu för att upptäcka så små och lätta saker som andra jordar.

Till dags dato har man hittat runt 160 planeter utanför vårt solsystem, alla troligtvis tunga gasjättar. Det har inneburit att mycket av det man tidigare antagit om planeters bildande har ställts på ända. Tidigare hade vi ju bara vårt eget solsystem att utgå ifrån. Men när man började upptäcka andra solsystem visade det sig att dessa inte alls såg ut som vårt! Deras planeter beter sig inte alls så beskedligt och välordnat som de gör i vårt solsystem. Där finns planeter som rör sig i långa ellipser, som kometer. Där finns planeter som är så nära sin stjärna att dess atmosfär antagligen håller på att ånga bort. Det finns till och med planeter som kretsar kring döda stjärnor, stjärnor så tunga att de är på vippen till att vara svarta hål. Innan Universum avslöjade dem för oss var det få som kunde drömma om att många av dessa saker ens kunde finnas.

Min forskning om planetvaggor
Mitt arbete kretsar kring att försöka förstå processerna under vilken planetbildning kan ske. Mer specifikt arbetar jag med skivan (disken) av gas och stoft som bildas kring de flesta nyfödda stjärnor. Planeterna som (eventuellt) dyker upp ur dessa skivor är små och mycket svåra att se. Vår teknologi är som sagt ännu inte tillräcklig för att kunna observera dessa direkt, annat än i mycket speciella fall. Men skivorna själva är stora saker, större än planetsystemet självt! Stoftskivor ser vi lite varstans. Men vi vet inte om alla dessa faktiskt kan bilda planeter!

Så vad jag gör är att jag skapar datasimuleringar av sådana skivor: Med hjälp av verkliga observationer använder jag fysiken för att försöka lista ut hur sådana skivor ser ut inuti - hur varma de är, vilken typ av stoft och gas de har och många andra viktiga data. När jag väl har en skiva som är "realistisk" testar jag att sätta in en (teoretisk) planet i den och låter tiden ha sin gång. Ser modellen nu mer eller mindre ut som verkligheten? Är det möjligt att skivan faktiskt ser annorlunda ut utifrån om den har planeter i sig än om den inte har det? Vi vet inte, för modellerna är inte klara än.

Med tiden kommer vi kanske att kunna studera alla de stoftskivor vi ser och avgöra vilka som skapar planeter och vilka som inte gör det. Detta ger ett mått på hur lätt det är att skapa planeter, vilket i sin tur säger något om hur vanliga de är i vår galax. Och därmed kanske också något om hur vanliga vi och vår jord är.

Text: Samuel Regandell