Naturens forstørrelsesglas afslører uventede mellemmasse exoplaneter

Astronomer har fundet en ny exoplanet, der kunne ændre den stående teori om planetdannelse. Med en masse, der er mellem Neptuns og Saturns, og dens placering ud over "snelinjen" for dens værtsstjerne, en fremmed verden af ​​denne skala skulle være sjælden.

Aparna Bhattacharya, en postdoc-forsker fra University of Maryland og NASAs Goddard Space Flight Center (GSFC), ledet holdet, der gjorde opdagelsen, som blev annonceret i dag under en pressekonference på det 233. møde i American Astronomical Society i Seattle.

Brug af det nær-infrarøde kamera, anden generation (NIRC2) instrument på 10 meter Keck II teleskopet fra W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii og Wide Field Camera 3 (WFC3) instrumentet på Hubble Space Telescope, forskerne tog samtidige højopløsningsbilleder af exoplaneten, navngivet OGLE-2012-BLG-0950Lb, giver dem mulighed for at bestemme dens masse.

"Vi var overraskede over at se massen komme ud lige midt i det forudsagte mellemliggende kæmpe planetmassegab, " sagde Bhattacharya. "Det er som at finde en oase midt i exoplanetens ørken!"

"Jeg var meget tilfreds med, hvor hurtigt Aparna gennemførte analysen, " sagde medforfatter David Bennett, en seniorforsker ved University of Maryland og GSFC. "Hun var nødt til at udvikle nogle nye metoder til at analysere disse data - en type analyse, der aldrig var blevet lavet før."

I en uhyggelig timing af begivenheder, et andet hold af astronomer (som inkluderede Bhattacharya og Bennett) offentliggjorde en statistisk analyse på næsten samme tid, der viser, at sådanne sub-Saturn masseplaneter alligevel ikke er sjældne.

"Vi var lige ved at afslutte analysen, da massemålingerne af OGLE-2012- BLG-0950Lb kom ind, " sagde hovedforfatter Daisuke Suzuki fra Japans Institut for Rum- og Astronautisk Videnskab. "Denne planet bekræftede vores fortolkning af den statistiske undersøgelse."

Holdenes resultater på OGLE-2012-BLG-0950Lb er offentliggjort i decemberudgaven af ​​The Astronomisk Tidsskrift og den statistiske undersøgelse blev offentliggjort i den 20. december udgave af Astrofysiske tidsskriftsbreve .

OGLE-2012-BLG-0950Lb var blandt planeterne under Saturn i den statistiske undersøgelse; alle blev opdaget gennem mikrolinsing, den eneste metode, der i øjeblikket er følsom nok til at opdage planeter med mindre end Saturns masse i Jupiter-lignende baner.

Mikrolinsing udnytter en konsekvens af Einsteins generelle relativitetsteori:bøjning og forstørrelse af lys nær et massivt objekt som en stjerne, producerer en naturlig linse på himlen. I tilfælde af OGLE-2012-BLG-0950Lb, lyset fra en fjern baggrundsstjerne blev forstørret af OGLE-2012-BLG-0950L (exoplanetens værtsstjerne) i løbet af to måneder, da den passerede tæt på perfekt justering på himlen med baggrundsstjernen.

Ved omhyggeligt at analysere lyset under justeringen, en uventet dæmpning med en varighed på omkring en dag blev observeret, afslører tilstedeværelsen af ​​OGLE-2012-BLG-0950Lb via sin egen indflydelse på linsen.

Metodik

OGLE-2012-BLG-0950Lb blev først detekteret af mikrolinseundersøgelsesteleskoperne i samarbejdet med Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) og Microlensing Observations in Astrophysics (MOA).

Bhattacharyas team udførte derefter opfølgende observationer ved hjælp af Keck Observatorys kraftfulde adaptive optiksystem i kombination med NIRC2.

"Keck-observationerne gjorde det muligt for os at bestemme, at planeten under Saturn eller super-Neptun har en masse på 39 gange Jordens masse, og at dens værtsstjerne er 0,58 gange Solens masse, " sagde Bennett. "De målte adskillelsen af ​​forgrundens planetsystem fra baggrundsstjernen. Dette gjorde det muligt for os at udarbejde den komplette geometri af mikrolinsebegivenheden. Uden disse data, vi kendte kun masseforholdet mellem stjerne og planet, ikke de enkelte masser."

Til den statistiske undersøgelse, Suzukis team og MOA analyserede egenskaberne af 30 sub-Saturn planeter fundet ved mikrolinsing og sammenlignede dem med forudsigelser fra kernetilvækst teorien.

Udfordrer teorien

Det unikke ved mikrolinsemetoden er dens følsomhed over for sub-Saturn planeter som OGLE-2012-BLG-0950Lb, der kredser ud over "snelinjen" af deres værtsstjerner.

Snegrænsen, eller frostlinje, er afstanden i et ungt solsystem, (a.k.a. en protoplanetarisk skive), hvor det er koldt nok til, at vand kan kondensere til is. Ved og ud over snegrænsen er der en dramatisk stigning i mængden af ​​fast materiale, der er nødvendigt for planetdannelse. Ifølge kernetilvækstteorien, de faste stoffer menes at bygge op til planetkerner først gennem kemiske og derefter gravitationsprocesser.

"En nøgleproces i kernetilvækstteorien kaldes "løbsk gastilvækst, " sagde Bennett. "Kæmpeplaneter menes at starte deres dannelsesproces ved at samle en kernemasse på omkring 10 gange jordens masse i sten og is. På dette tidspunkt, en langsom ophobning af brint og heliumgas begynder, indtil massen er fordoblet. Derefter, ophobningen af ​​brint og helium forventes at fremskynde eksponentielt i denne løbske gasophobningsproces. Denne proces stopper, når forsyningen er opbrugt. Hvis tilførslen af ​​gas standses, før løbsk tilvækst stopper, vi får "mislykkede Jupiter"-planeter med masser af 10-20 jordmasser (som Neptun)."

Scenariet for løbsk gastilvækst i kernetilvækstteorien forudsiger, at planeter som OGLE-2012-BLG-0950Lb forventes at være sjældne. 39 gange Jordens masse, planeter på denne størrelse menes at fortsætte gennem et stadie med hurtig vækst, ender på en meget mere massiv planet. Dette nye resultat tyder på, at det løbske vækstscenarie kan trænge til revision.

Suzukis team sammenlignede fordelingen af ​​planet-stjernemasseforhold fundet ved mikrolinsing med fordelinger forudsagt af kernetilvækstteorien.

De fandt ud af, at kernetilvækstteoriens løbske gastilvækstproces forudsiger omkring 10 gange færre mellemmasse-gigantiske planeter som OGLE-2012-BLG-0950Lb, end der ses i mikrolinseresultaterne.

Denne uoverensstemmelse indebærer, at dannelse af gasgiganter kan involvere processer, der er blevet overset af eksisterende kernetilvækstmodeller, eller at det planetdannende miljø varierer betydeligt som en funktion af værtens stjernemasse.

Næste skridt

This discovery has not only called into question an established theory, it was made using a new technique that will be a key part of NASA's next big planet finding mission, the Wide Field Infra-Red Survey Telescope (WFIRST), which is scheduled to launch into orbit in the mid-2020s.

"This is exactly the method that WFIRST will use to measure the masses of the planets that it discovers with its exoplanet microlensing survey. Until WFIRST comes online, we need to develop this method with observations from our Keck Key Strategic Mission Support (KSMS) program as well as observations from Hubble, " said Bennett.

"It's very exciting to see Keck and Hubble combine forces to provide this surprising new result, " said Keck Observatory Chief Scientist John O'Meara. "And it's equally exciting to know that we can make these kind of advances today to help facilitate the best science from WFIRST and Keck's partnership in the future."

The NASA Keck KSMS program will continue to make follow-up observations of microlensing events detected by telescopes on the ground and in space.