Utmanade modellerna för solsystemets födelse

Som doktorand utmanade Wallenberg Scholar Anders Johansen gängse teorier om planeternas uppkomst. Hans rön kritiserades skarpt. Men när rymdsonden New Horizon nådde solsystemets yttre år 2019 slog NASA fast att han hade rätt.  

Anders Johansen

Professor i astronomi

Wallenberg Academy Fellow/Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Lunds universitet

Forskningsområde:
Planetbildning

Den första januari 2019 passerar rymdsonden New Horizon småplaneten Arrokoth i Kuiperbältet bortom Pluto. Bältet består av kvarlevor från solsystemets bildande för 4,5 miljarder år sedan. Att resa dit kan därför liknas vid en tidsresa till solsystemets födelse. 

Bilderna som New Horizon tog av Arrokoth visade en dubbel is-asteroid med formen av en snögubbe. Att asteroiden består av två sammanvuxna klot omkullkastar den tidigare uppfattningen om hur planeter bildas. Samtidigt bekräftar bilderna teorin som Anders Johansen lanserade som doktorand. 

– Det var rätt häftigt att se. När jag publicerade mitt arbete fick jag så mycket kritik att jag började tro att det fanns en bugg i mitt program, säger Anders Johansen. 

Teorin som NASA nu menar kan överges berättar om hur våldsamma kollisioner ligger bakom bildandet av småplaneter som Arrokoth. Ett problem med den teorin har alltid varit att den stora kollisionskraften helt skulle smula sönder planeten. NASA:s bilder visade istället resultatet av en mycket långsam kollision. 

– Snögubben består av två perfekta kulor som sitter ihop. För att de ska kunna vila på varandra så måste de ha kolliderat med en mycket låg hastighet. Ungefär i samma takt som vi promenerar. 

Undersöker hur planeter bildas

Anders Johansen ägnar sig åt att förstå hur planeter bildas men inte med hjälp av teleskop utan med datorsimuleringar. I sitt doktorandarbete utvecklade han en programvara för att efterlikna hur vårt solsystem såg ut strax efter att solen bildats. 

Då omgavs solen av ett moln av gas och dammpartiklar i en roterande skiva. Olika partiklar krockade och vissa fastnade vid varandra och bildade millimeterstora småstenar. 

– Konsistensen på dessa små stenar går att likna vid sammanpressat mjöl. Du kan göra små kulor av dem men de faller mycket lätt samman, säger han.  

Så vad är det som får stenarna att växa sig större? Anders Johansens simulering visade hur friktionen hos gasen och partiklarna samverkade och att resultatet blev till små men växande himlakroppar. 

– Detta har inget att göra med gravitationen utan det går att likna vid klungan som tävlingscyklister formar för att minska luftfriktionen. Det finns en energifördel med att bilda täta grupper, och det är vad som också skapar dessa täta klumpar.

Fenomenet kallas för tvåströmsinstabilitet och när klumparna växer får de snart hjälp av gravitationen. När de vuxit till samma storlek som Arrokoth har de en diameter upp till 100 kilometer och kallas för planetesimaler. I Kuiperbältet återfinns tusentals liknande som fossiler från solsystemets födelse. 

Simuleringen som Anders Johansen skapade visade att Arrokoth bildades som en binär planetesimal för att sedan kollidera med låg hastighet för att bilda något som kallas en kontaktplanetesimal.

Intuitionen viktig

När Anders Johansen började studera vid Köpenhamns universitet så var det fysik och matematik som stod på schemat. Men snart tyckte han matten blev väl abstrakt. 

– En av mina studiekamrater pluggade astronomi och det verkade så häftigt. Att få ställa frågor om saker och tings ursprung var inspirerande och gav mig möjlighet att använda min intuition. 

I dag delar han sin tid mellan Lunds universitet och Globe Institute vid Köpenhamns universitet. Han har fortsatt att följa utvecklingen av planetesimalerna mot allt större planeter med datorns hjälp. Forskningen visar hur småstenarna fortsatt att spela en viktig roll när planeter som Jupiter, Saturnus och även Jorden bildats. 

De växande planeterna kan liknas vid stora dammsugare som suger åt sig småstenar från den omgivande rymden med hjälp av gravitationen. Stenarnas rörelseenergi fångas upp av gasens friktion vilket får dem att falla mot planetens yta. Teorin har fått namnet småstensinfångning. 

– I dag omnämns småstensteorin som om det var en av Newtons lagar på astronomikonferenser, en overklig känsla som gör att jag måste ruska på huvudet ibland. Men visst har jag verkligen uppnått något med min forskning. 

”Anslaget är en lyx att få och ger en enorm flexibilitet att utveckla nya projekt och bygga upp forskargrupper. Dessutom har mentorprogrammet som medföljer gett mig en väg in i det svenska forskarsamhället.”

Jordens tillkomst

Under de senaste åren har Anders Johansen utvecklat datormodeller som ska visa hur jorden vuxit vidare från en ogästvänlig och kall isplanet. Stenregnet gjorde ytan mycket varm och lättflyktiga ämnen som vatten och kolmolekyler förångades, medan järnet smälte och sjönk mot centrum. Processen kallas för differentiering och simuleras nu i datorn. 

– Jag håller på med en kod som ska beräkna hela processen och det verkar mycket lovande. Den kommer att visa att jorden bildades på bara fem miljoner år och inte femtio miljoner år som man trott tidigare. 

En slutsats som han redan vet kommer att möta häftig kritik från andra forskare. Samtidigt hyllar han den vetenskapliga processen. 

– Det tar lång tid att övertyga andra forskare om en ny teori. Du ska igenom en hel maskin av kritik och motartiklar. Men det är bra eftersom vi ska ha höga kvalitetskrav. Det kräver att du lyssnar på kritiken, skärper dina argument och skärskådar dina data ytterligare. 

Teorin om småstensinfångning kan i förlängningen göra det enklare att söka efter liv på andra platser i universum. 

– När vi får bevis för liv på andra planeter så kommer det att transformera vår kultur – vi kommer att tänka på helt andra sätt än i dag, säger Anders Johansen. 

Text Magnus Trogen Pahén
Bild Johan Joelsson, Kennet Ruona, Lena Björk Blixt, Magnus Bergström