Spædbarns exoplanet vejet af Hipparcos og Gaia

Massen på en meget ung eksoplanet er blevet afsløret for første gang ved hjælp af data fra ESAs stjernekortlægningsrumfartøj Gaia og dens forgænger, den pensionerede Hipparcos-satellit fra et kvart århundrede.

Astronomerne Ignas Snellen og Anthony Brown fra Leiden Universitet, Holland, udledte massen af ​​planeten Beta Pictoris b fra bevægelsen af ​​dens værtsstjerne over en lang periode som fanget af både Gaia og Hipparcos.

Planeten er en gasgigant, der ligner Jupiter, men ifølge det nye skøn, er 9 til 13 gange mere massiv. Den kredser om stjernen Beta Pictoris, den næststørste stjerne i stjernebilledet Pictor.

Planeten blev først opdaget i 2008 på billeder taget af Very Large Telescope ved European Southern Observatory i Chile. Både planeten og stjernen er kun omkring 20 millioner år gamle - omkring 225 gange yngre end solsystemet. Dets unge alder gør systemet spændende, men også svært at studere ved hjælp af konventionelle metoder.

"I Beta Pictoris-systemet, planeten er i det væsentlige lige dannet, " siger Ignas. "Derfor kan vi få et billede af, hvordan planeter dannes, og hvordan de opfører sig i de tidlige stadier af deres udvikling. På den anden side, stjernen er meget varm, roterer hurtigt, og det pulserer. "

Denne adfærd gør det vanskeligt for astronomer nøjagtigt at måle stjernens radiale hastighed – den hastighed, hvormed den ser ud til at bevæge sig mod og væk fra Jorden. Små ændringer i en stjernes radiale hastighed, forårsaget af tyngdekraften fra planeter i dens nærhed, bruges almindeligvis til at estimere masser af exoplaneter. Men denne metode virker hovedsageligt for systemer, der allerede har gennemgået de brændende tidlige stadier af deres udvikling.

I tilfælde af Beta Pictoris b, øvre grænser for planetens masseområde var nået frem til, før man brugte radialhastighedsmetoden. For at få et bedre skøn, astronomerne brugte en anden metode, drage fordel af Hipparcos' og Gaias målinger, der afslører den præcise position og bevægelse af planetens værtsstjerne på himlen over tid.

"Stjernen bevæger sig af forskellige årsager, " siger Ignas. "Først, stjernen cirkler omkring Mælkevejens centrum, ligesom solen gør. Det fremgår af Jorden som en lineær bevægelse projiceret på himlen. Vi kalder det ordentlig bevægelse. Og så er der parallakseeffekten, som er forårsaget af, at Jorden kredser om Solen. På grund af dette, i løbet af året, vi ser stjernen fra lidt forskellige vinkler."

Og så er der noget, som astronomerne beskriver som 'små slingrer' i stjernens bane hen over himlen – små afvigelser fra det forventede forløb forårsaget af planetens tyngdekraft i stjernens kredsløb. Dette er den samme wobble, der kan måles via ændringer i radialhastigheden, men i en anden retning - på himlens plan, snarere end langs synslinjen.

"Vi ser på afvigelsen fra, hvad du forventer, hvis der ikke var nogen planet, og så måler vi planetens masse ud fra betydningen af ​​denne afvigelse, "siger Anthony." Jo mere massiv planeten, jo større er afvigelsen."

For at kunne foretage en sådan vurdering, astronomer skal observere stjernens bane i lang tid for korrekt at forstå den rigtige bevægelse og parallakseffekten.

Gaia-missionen, designet til at observere mere end en milliard stjerner i vores galakse, vil efterhånden kunne give oplysninger om en stor mængde eksoplaneter. I de 22 måneders observationer inkluderet i Gaias anden dataudgivelse, udgivet i april, satellitten har optaget stjernen Beta Pictoris omkring tredive gange. At, imidlertid, er ikke nok.

"Gaia vil finde tusindvis af exoplaneter, det er stadig på vores huskeliste, " siger Timo Prusti, ESA's Gaia-projektforsker. "Grunden til, at exoplaneterne først kan forventes sent i missionen, er det faktum, at for at måle den lille slingre, som exoplaneterne forårsager, vi er nødt til at spore stjernernes position i flere år."

Ved at kombinere Gaia-målingerne med dem fra ESA's Hipparcos-mission, som observerede Beta Pictoris 111 gange mellem 1990 og 1993, gjorde det muligt for Ignas og Anthony at få deres resultat meget hurtigere. Dette førte til det første vellykkede skøn over en ung planets masse ved hjælp af astrometriske målinger.

"Ved at kombinere data fra Hipparcos og Gaia, som har en tidsforskel på omkring 25 år, du får en meget langsigtet egenbevægelse, " siger Anthony.

"Denne egenbevægelse indeholder også den komponent, der er forårsaget af den kredsende planet. Hipparcos på egen hånd ville ikke have været i stand til at finde denne planet, fordi den ville ligne en helt normal enkeltstjerne, medmindre vi havde målt den i meget længere tid.

"Nu, ved at kombinere Gaia og Hipparcos og se på forskellen på langsigtet og kortsigtet egenbevægelse, vi kan se planetens virkning på stjernen."

Resultatet repræsenterer et vigtigt skridt i retning af bedre forståelse af processerne involveret i planetdannelse, og foregriber de spændende exoplanetopdagelser, der vil blive udløst af Gaias fremtidige dataudgivelser.

"Massen af ​​den unge planet Beta Pictoris b gennem den astrometriske bevægelse af dens værtsstjerne, " af I. Snellen og A. Brown er udgivet i Natur Astronomi , 20. august 2018.