Spektrografisk analyse giver empirisk benchmark for nyfødt varm Jupiter

CI Tau b er en paradoksal planet, men ny forskning om dens masse, lysstyrke og kulilte i atmosfæren begynder at besvare spørgsmål om, hvordan en så stor planet kunne have dannet sig omkring en stjerne, der kun er 2 millioner år gammel.

Ved dagens møde i American Astronomical Society, astronomerne Christopher Johns-Krull fra Rice University og Lisa Prato fra Lowell Observatory præsenterede resultater fra en fire-årig nær-infrarød spektroskopisk analyse af lys fra CI Taub, en gigantisk exoplanet i tæt kredsløb, eller "varme Jupiter, " i en ni-dages bane omkring sin moderstjerne omkring 450 lysår fra Jorden i stjernebilledet Tyren.

"Det spændende er, at vi er i stand til at detektere lys direkte fra planeten, og det er første gang, det er blevet gjort for en planet tæt på en stjerne, så unge, sagde Johns-Krull, professor i fysik og astronomi og medforfatter til en undersøgelse, der er planlagt til offentliggørelse i AAS's Astrofysiske tidsskriftsbreve . "Den mest værdifulde måde at lære, hvordan planeter dannes, er at studere planeter, ligesom CI Tau b, der enten stadig dannes eller lige er dannet."

I årtier, de fleste astronomer troede, at gigantiske planeter som Jupiter og Saturn blev dannet langt fra deres stjerner over perioder på 10 millioner år eller mere. Men opdagelsen af ​​snesevis af "varme Jupitere" førte til nye teoretiske modeller, der beskriver, hvordan sådanne planeter kan dannes.

Johns-Krull sagde, at CI Tau b's alder gjorde den til den perfekte kandidat til observation med Immersion Grating Infrared Spectrograph (IGRINS), en unik, højopløsningsinstrument, der blev brugt under observationer af CI Taub fra McDonald Observatorys 2,7 meter Harlan J. Smith Telescope og Lowell Observatorys 4,3 meter Discovery Channel Telescope.

Fordi hvert atomare element og molekyle i en stjerne udsender lys fra et unikt sæt bølgelængder, astronomer kan lede efter specifikke signaturer, eller spektrallinjer, for at se, om et grundstof er til stede i en fjern stjerne eller planeter. Spektrallinjer kan også afsløre temperaturen og tætheden af ​​en stjerne, og hvor hurtigt den bevæger sig.

Prato sagde, at forskerholdet brugte spektrallinjerne fra kulilte til at skelne det lys, der udsendes af planeten, fra det lys, der udsendes af den nærliggende stjerne.

"Mange af de spektrallinjer, der er i planeten, er også i stjernen, " sagde Prato. "Hvis både planeten og stjernen var stationære, deres spektrallinjer ville alle blande sig sammen, og vi ville ikke være i stand til at fortælle, hvad der var fra stjernen, og hvad der var fra planeten. Men fordi planeten hurtigt kredser om stjernen, dens linjer skifter dramatisk frem og tilbage. Vi kan trække stjernens linjer fra og kun se linjerne fra planeten. Og fra dem, vi kan bestemme, hvor lys planeten er, i forhold til stjernen, som fortæller os noget om, hvordan det er dannet."

Det er fordi lysstyrken af ​​en stjerne eller planet afhænger af både dens størrelse og temperatur.

"Direkte observationsbeviser for massen og lysstyrken af ​​CI Tau b er særligt nyttige, fordi vi også ved, at den kredser om en meget ung stjerne, " sagde Rice Ph.D.-studerende Laura Flagg, hovedforfatteren til den kommende undersøgelse. "De fleste af de varme Jupitere, vi har fundet, kredser om midaldrende stjerner. CI Taus alder giver en stram begrænsning for at sætte modeller på prøve:Kan de producere en planet så lys og så massiv på så kort tid?"

Flaggs analyse af spektrallinjer fra kulilte viste, at CI Taub har en masse på 11,6 Jupiter og er omkring 134 gange svagere end sin moderstjerne. Prato sagde, at det giver stærke beviser for, at det er dannet via en "varm start, "en teoretisk model, der beskriver, hvordan gravitationel ustabilitet kunne danne gigantiske planeter hurtigere end traditionelle modeller.

Prato sagde, at den nye undersøgelse giver en unik empirisk målestok til at måle konkurrerende teorier.

"Ved omkring 2 millioner år gammel, CI Tau b er langt den yngste varme Jupiter, der er opdaget direkte, " sagde hun. "Vi har nu en masse og lysstyrke for det - den eneste direkte målte masse og lysstyrke for en ung varm Jupiter - og det giver meget stærke tests for planetdannelsesmodeller."

IGRINS, som blev designet af studiemedforfatter Daniel Jaffe fra University of Texas i Austin, bruger et siliciumbaseret diffraktionsgitter til at forbedre både opløsningen og antallet af nær-infrarøde spektralbånd, der kan observeres fra fjerne objekter som CI Tau b og dens moderstjerne. IGRINS blev flyttet fra McDonald til Lowell midtvejs i undersøgelsen.

Yderligere medforfattere inkluderer Larissa Nofi og Joe Llama fra Lowell Observatory, og Kendall Sullivan og Gregory Mace fra både UT Austin og dets McDonald Observatory.