Jernrige stjerner er vært for planeter med kortere periode

Astronomer med Sloan Digital Sky Survey (SDSS) har erfaret, at den kemiske sammensætning af en stjerne kan øve uventet indflydelse på dens planetsystem - en opdagelse, der er muliggjort af en igangværende SDSS-undersøgelse af stjerner set af NASAs Kepler-rumfartøj, og en, der lover at udvide vores forståelse af, hvordan ekstrasolare planeter dannes og udvikler sig.

"Uden disse detaljerede og nøjagtige målinger af jernindholdet i stjerner, vi kunne aldrig have foretaget denne måling, " siger Robert Wilson, en kandidatstuderende i astronomi ved University of Virginia og hovedforfatter af papiret, der annoncerer resultaterne.

Holdet præsenterede deres resultater i dag ved American Astronomical Society (AAS) møde i National Harbor, Maryland. Brug af SDSS-data, de fandt ud af, at stjerner med højere koncentrationer af jern har tendens til at være vært for planeter, der kredser ret tæt på deres værtsstjerne - ofte med omløbsperioder på mindre end omkring otte dage - mens stjerner med mindre jern har tendens til at være vært for planeter med længere perioder, der er længere væk fra deres værtsstjerne. Yderligere undersøgelse af denne effekt kan hjælpe os med at forstå den fulde række af ekstrasolare planetsystemer i vores galakse, og kaste lys over, hvorfor planeter findes, hvor de er.

Historien om planeter omkring sollignende stjerner begyndte i 1995, da et hold astronomer opdagede en enkelt planet, der kredsede om en sollignende stjerne 50 lysår fra Jorden. Opdagelseshastigheden accelererede i 2009, da NASA lancerede Kepler-rumfartøjet, et rumteleskop designet til at lede efter ekstrasolare planeter. Under sin fireårige primære mission, Kepler overvågede tusindvis af stjerner ad gangen, holder øje med den lille dæmpning af stjernelys, der indikerer, at en planet passerer foran sin værtsstjerne. Og fordi Kepler så på de samme stjerner i årevis, den så deres planeter igen og igen, og var dermed i stand til at måle den tid det tager planeten at kredse om sin stjerne. Denne information afslører afstanden til fra stjerne til planet, med tættere planeter, der kredser hurtigere end længere væk. Takket være Keplers utrættelige overvågning, antallet af exoplaneter med kendte omløbsperioder steg dramatisk, fra omkring 400 i 2009 til mere end 3, 000 i dag.

Selvom Kepler var perfekt designet til at spotte ekstrasolare planeter, det var ikke designet til at lære om den kemiske sammensætning af stjernerne, som disse planeter kredser omkring. Denne viden kommer fra SDSS's Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE), som har studeret hundredtusindvis af stjerner over hele Mælkevejsgalaksen. APOGEE fungerer ved at indsamle et spektrum for hver stjerne - en måling af, hvor meget lys stjernen afgiver ved forskellige bølgelængder (farver) af lys. Fordi atomer af hvert kemisk element interagerer med lys på deres egen karakteristiske måde, et spektrum gør det muligt for astronomer ikke kun at bestemme, hvilke grundstoffer en stjerne indeholder, men også hvor meget - for alle elementer inklusive nøgleelementet jern.

"Alle sollignende stjerner er for det meste brint, men nogle indeholder mere jern end andre, " siger Johanna Teske fra Carnegie Institution for Science, et medlem af forskergruppen. "Mængden af ​​jern en stjerne indeholder er et vigtigt fingerpeg om, hvordan den er dannet, og hvordan den vil udvikle sig i løbet af sin levetid."

Ved at kombinere data fra disse to kilder – planetbaner fra Kepler og stjernekemi fra APOGEE – har astronomer lært om forholdet mellem disse "jernberigede" stjerner og de planetsystemer, de har.

"Vi vidste, at elementberigelsen af ​​en stjerne ville have betydning for dens egen udvikling, " siger Teske, "Men vi var overraskede over at erfare, at det også betyder noget for udviklingen af ​​dets planetsystem."

Det arbejde, der præsenteres i dag, bygger på tidligere arbejde, ledet af Gijs Mulders fra University of Arizona, ved hjælp af et større, men mindre præcist udsnit af spektre fra LAMOST-Kepler-projektet. (LÆSSTE, det store multiobjekt-fiberspektroskopiske teleskop, er en kinesisk himmelundersøgelse.) Mulders og samarbejdspartnere fandt en lignende tendens - tættere på planeter, der kredser om flere jernrige stjerner - men fastslog ikke den kritiske periode på otte dage.

"Det er opmuntrende at se en uafhængig bekræftelse af den tendens, vi fandt i 2016, " siger Mulders. "Identifikationen af ​​den kritiske periode viser virkelig, at Kepler er den gave, der bliver ved med at give."

Hvad der er særligt overraskende ved det nye resultat, Wilson forklarede, er, at de jernberigede stjerner kun har omkring 25 procent mere jern end de andre i prøven. "Det er som at tilføje fem ottendedele af en teskefuld salt i en cupcake-opskrift, der kræver en halv teskefuld salt, blandt alle dets øvrige ingredienser. Jeg ville stadig spise den cupcake, " siger han. "Det viser os virkelig, hvordan selv små forskelle i stjernernes sammensætning kan have dybtgående indvirkning på planetsystemer."

Men selv med denne nye opdagelse, astronomer står tilbage med mange ubesvarede spørgsmål om, hvordan ekstrasolare planeter dannes og udvikler sig, især planeter på størrelse med jorden eller lidt større ("superjorde"). Danner jernrige stjerner i sig selv planeter med kortere baner? Eller er planeter, der kredser om jernrige stjerner, mere tilbøjelige til at danne længere ude og derefter migrere til en kortere periode, tættere i baner? Wilson og samarbejdspartnere håber at arbejde sammen med andre astronomer for at skabe nye modeller af protoplanetariske diske for at teste begge disse forklaringer.

"Jeg er begejstret for, at vi stadig har meget at lære om, hvordan stjernernes kemiske sammensætning påvirker deres planeter, især om hvordan små planeter dannes, " siger Teske. "Plus, APOGEE giver mange flere stjernernes kemiske overflod udover jern, så der er sandsynligvis andre tendenser begravet i dette rige datasæt, som vi endnu ikke har udforsket."