Opsluger af planeter? Forskere døber stjernen Kronos

I mytologien, Titanen Kronos slugte hans børn, inklusive Poseidon (bedre kendt som planeten Neptun), Hades (Pluto) og tre døtre.

Så da en gruppe Princeton-astronomer opdagede tvillingestjerner, hvoraf den ene viste tegn på at have indtaget et dusin eller flere klippeplaneter, de opkaldte dem efter Kronos og hans mindre kendte bror Krios. Deres officielle betegnelser er HD 240430 og HD 240429, og de er begge omkring 350 lysår fra Jorden.

Nøglerne til opdagelsen bekræftede først, at det vidt adskilte par faktisk er et binært par, og for det andet at observere Kronos' slående usædvanlige kemiske overflodsmønster, forklarede Semyeong Åh, en kandidatstuderende i astrofysiske videnskaber, der er hovedforfatter på et nyt papir, der beskriver Kronos og Krios. Oh arbejder med David Spergel, Charles A. Young Professor of Astronomy on the Class of 1897 Foundation og direktør for Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics.

Andre samgående stjernepar har haft forskellige kemier, Åh forklaret, men ingen så dramatiske som Kronos og Krios.

De fleste stjerner, der er lige så metalrige som Kronos "har alle de andre elementer forbedret på et lignende niveau, " hun sagde, "hvorimod Kronos har undertrykt flygtige elementer, hvilket gør det virkelig mærkeligt i den generelle sammenhæng med stjernernes overflodsmønstre."

Med andre ord, Kronos havde et usædvanligt højt niveau af stendannende mineraler, herunder magnesium, aluminium, silicium, jern, krom og yttrium, uden et lige så højt niveau af flygtige forbindelser - dem, der oftest findes i gasform, som ilt, kulstof, nitrogen og kalium.

Kronos er allerede uden for den galaktiske norm, sagde Åh, og derudover "fordi den har en stjernekammerat at sammenligne den med, det gør sagen lidt stærkere."

Kronos og Krios er langt nok fra hinanden til, at nogle astronomer har stillet spørgsmålstegn ved, om de to i virkeligheden var et binært par. Begge er omkring 4 milliarder år gamle, og ligesom vores egen, lidt ældre sol, begge er gule stjerner af G-typen. De kredser sjældent om hinanden, i størrelsesordenen hver 10. 000 år eller deromkring. En tidligere forsker, Jean-Louis Halbwachs fra Observatoire Astronomique i Strasbourg, havde identificeret dem som at flytte sammen - flytte sammen - i sin undersøgelse fra 1986, men Oh identificerede uafhængigt dem som co-moving baseret på todimensionel astrometrisk information fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission.

Under en gruppeforskningsdiskussion på Flatiron Institute, en kollega foreslog at samle deres datasæt. John Brewer, en postdoc-forsker fra Yale University på besøg ved Columbia University, havde brugt data fra Keck Observatory på Mauna Kea, Hawaii, at beregne stjernernes spektrografiske kemi og radiale hastigheder.

"John foreslog, at vi måske skulle krydsmatche mit flyttekatalog med hans kemikalieoverflodskatalog, fordi det er interessant at spørge, om de har de samme sammensætninger, "Åh sagde.

Binære stjerner bør have matchende radiale hastigheder, men den information havde ikke været tilgængelig i Gaia-datasættet, så at se deres matchende hastigheder i Brewers data understøttede teorien om, at Kronos og Krios, med to lysårs mellemrum, var et binært sæt.

Så lagde forskerne mærke til de ekstreme kemiske forskelle mellem dem.

"Jeg er meget let ophidset, så snart de havde samme radiale hastigheder og forskellig kemi, mit sind begyndte allerede at køre, " sagde Adrian Price-Whelan, en Lyman Spitzer, Jr. Postdoc-stipendiat i astrofysiske videnskaber og medforfatter på papiret.

Åh tog mere overbevisende, begge videnskabsmænd huskede. "Semyeong er forsigtig og var skeptisk, " sagde Price-Whelan, så hendes første skridt var at dobbelttjekke alle data. Når en simpel fejl var blevet udelukket, de begyndte at underholde forskellige teorier. Måske havde Kronos og Krios samlet deres planetskiver på forskellige tidspunkter under stjernedannelsen. At man ikke kan testes, sagde Price-Whelan, men det virker usandsynligt.

Måske begyndte de først at flytte sammen for nylig, efter handelspartnere med et andet par binære stjerner, en proces kendt som binær udveksling. Åh udelukkede det med "en simpel beregning, " sagde hun. "Hun er meget beskeden, " bemærkede Price-Whelan.

Ohs skepsis blev endelig overvundet, da hun plottede det kemiske overflodsmønster som en funktion af kondensationstemperaturen - de temperaturer, hvor flygtige stoffer kondenserer til faste stoffer. Kondensationstemperaturer spiller en nøglerolle i planetdannelsen, fordi klippeplaneter har en tendens til at danne sig, hvor det er varmt - tættere på en stjerne - mens gasgiganter dannes lettere i de koldere områder langt fra deres stjerne.

Hun observerede straks, at alle de mineraler, der størkner under 1200 Kelvin, var dem, Kronos havde lavt indhold af, mens alle de mineraler, der størkner ved varmere temperaturer, var rigelige.

"Andre processer, der ændrer overfloden af ​​elementer generisk i hele galaksen, giver dig ikke sådan en tendens, " sagde Price-Whelan. "De ville selektivt forbedre visse elementer, og det ville virke tilfældigt, hvis du plottede det i forhold til kondenseringstemperaturer. Det faktum, at der er en tendens dér, antydede i retning af noget relateret til planetdannelse snarere end galaktisk kemisk evolution."

Det var hendes "Aha!" øjeblik, Åh sagde. "Alle de elementer, der ville udgøre en klippeplanet, er præcis de elementer, der er forbedret på Kronos, og de flygtige elementer er ikke forbedret, så det giver et stærkt argument for et scenarie for planetopslukning, i stedet for noget andet."

Oh og hendes kolleger beregnede, at det ville kræve at opsluge omkring 15 jordmasseplaneter for at få så mange stendannende mineraler uden mange flygtige stoffer.

At spise en gasgigant ville ikke give det samme resultat, Price-Whelan forklarede. Jupiter, for eksempel, har en indre stenet kerne, der let kunne have 15 jordmasser af stenet materiale, men "hvis du skulle tage Jupiter og kaste den ind i en stjerne, Jupiter har også denne enorme gasformede kappe, så du vil også forbedre kulstof, nitrogen - de flygtige stoffer, som Semyeong nævnte, " sagde han. "For at vende den rundt, du er nødt til at smide en masse mindre planeter ind."

Selvom ingen kendt stjerne har 15 planeter på størrelse med Jorden i kredsløb omkring sig, Kepler-rumteleskopet har opdaget mange multiplanetsystemer, sagde Jessie Christiansen, en astronom ved NASA Exoplanet Science Institute ved California Institute of Technology, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Jeg ser intet problem med, at der er mere end 15 jordmasser af ophobbart materiale omkring en stjerne af soltypen." Hun pegede på Kepler-11, som har mere end 22 jordmasser af materiale i seks planeter med tætte baner, eller HD 219134, som har mindst 15 jordmasser af materiale i sine indre fire planeter.

"I øjeblikket, vi er stadig på stadiet med at sammensætte forskellige observationer for at bestemme, hvordan og hvornår exoplaneter dannes, " sagde Christiansen. "Det er svært direkte at observere planetdannelse omkring unge stjerner - de er typisk indhyllet i støv, og stjernerne selv er meget aktive, hvilket gør det svært at adskille signaler fra planeterne. Så vi må udlede, hvad vi kan ud fra den begrænsede information, vi har. Hvis det bekræftes, dette nye vindue til materialets masser og sammensætning i de tidlige stadier af planetsystemer kan give afgørende begrænsninger for planetdannelsesteorier."

Forskningen har også betydning for stjernedannelsesmodeller, bemærkede Price-Whelan.

"En af de almindelige antagelser - velmotiveret, men det er en antagelse – der er gennemgående gennem galaktisk astronomi lige nu er, at stjerner er født med [kemiske] overflod, og så beholder de disse overfloder, " sagde han. "Dette er en indikation af, at i hvert fald i nogle tilfælde, det er katastrofalt falsk."