Jupiter-lignende exoplaneter fundet i sweet spot i de fleste planetsystemer

Når planeter dannes i den hvirvlende gas og støv omkring unge stjerner, der synes at være et sødt sted, hvor de fleste af de store, Jupiter-lignende gasgiganter samles, centreret omkring den bane, hvor Jupiter sidder i dag i vores eget solsystem.

Placeringen af ​​dette søde sted er mellem 3 og 10 gange afstanden Jorden sidder fra vores sol (3-10 astronomiske enheder, eller AU). Jupiter er 5,2 AU fra vores sol.

Det er blot en af ​​konklusionerne af en hidtil uset analyse af 300 stjerner fanget af Gemini Planet Imager, eller GPI, en følsom infrarød detektor monteret på det 8 meter lange Gemini South teleskop i Chile.

GPI Exoplanet Survey, eller GPIES, er et af to store projekter, der søger efter exoplaneter direkte, ved at blokere stjerners lys og fotografere selve planeterne, i stedet for at lede efter afslørende slingrer i stjernen - metoden med radial hastighed - eller efter planeter, der krydser foran stjernen - transitteknikken. GPI-kameraet er følsomt over for den varme, der afgives af nyligt dannede planeter og brune dværge, som er mere massive end gasgigantplaneter, men stadig for lille til at antænde fusion og blive til stjerner.

Analysen af ​​de første 300 af mere end 500 stjerner undersøgt af GPIES, udgivet 12. juni i Det astronomiske tidsskrift , "er en milepæl, " sagde Eugene Chiang, en UC Berkeley professor i astronomi og medlem af samarbejdets teorigruppe. "Vi har nu fremragende statistik for, hvor ofte planeter forekommer, deres massefordeling og hvor langt de er fra deres stjerner. Det er den mest omfattende analyse, jeg har set på dette felt."

Undersøgelsen supplerer tidligere exoplanetundersøgelser ved at tælle planeter mellem 10 og 100 AU, et område, hvor Kepler Space Telescope transitundersøgelse og observationer af radial hastighed sandsynligvis ikke vil opdage planeter. Det blev ledet af Eric Nielsen, en forsker ved Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology ved Stanford University, og involverede mere end 100 forskere ved 40 institutioner verden over, inklusive University of California, Berkeley.

En ny planet, en ny brun dværg

Siden GPIES-undersøgelsen startede for fem år siden, holdet har afbilledet seks planeter og tre brune dværge, der kredser om disse 300 stjerner. Holdet anslår, at omkring 9 procent af massive stjerner har gasgiganter mellem 5 og 13 Jupiter-masser ud over en afstand på 10 AU, og færre end 1 procent har brune dværge mellem 10 og 100 AU.

Det nye datasæt giver vigtig indsigt i, hvordan og hvor massive objekter dannes i planetsystemer.

"Når du går ud fra den centrale stjerne, gigantiske planeter bliver hyppigere. Omkring 3 til 10 AU, forekomstfrekvensen topper, " sagde Chiang. "Vi ved, at det topper, fordi Kepler- og radialhastighedsundersøgelserne finder en stigning i hastigheden, går fra varme Jupiters meget nær stjernen til Jupiters nogle få AU fra stjernen. GPI har udfyldt den anden ende, går fra 10 til 100 AU, og konstatere, at forekomstfrekvensen falder; kæmpeplaneterne findes hyppigere ved 10 end 100. Hvis du kombinerer alt, der er et sødt sted for gigantiske planeter omkring 3 til 10 AU."

"Med fremtidige observatorier, især Thirty-Meter Telescope og ambitiøse rumbaserede missioner, vi vil begynde at afbilde planeterne, der bor i det søde sted for sollignende stjerner, " sagde teammedlem Paul Kalas, en UC Berkeley adjungeret professor i astronomi.

Exoplanetundersøgelsen opdagede kun en tidligere ukendt planet - 51 Eridani b, næsten tre gange massen af ​​Jupiter - og en hidtil ukendt brun dværg - HR 2562 B, vejer omkring 26 Jupiter-masser. Ingen af ​​de afbildede gigantiske planeter var omkring sollignende stjerner. I stedet, gigantiske gasplaneter blev kun opdaget omkring mere massive stjerner, mindst 50 procent større end vores sol, eller 1,5 solmasser.

"I betragtning af, hvad vi og andre undersøgelser har set indtil videre, vores solsystem ligner ikke andre solsystemer, " sagde Bruce Macintosh, hovedforsker for GPI og professor i fysik ved Stanford. "Vi har ikke så mange planeter pakket ind så tæt på solen som de har på deres stjerner, og vi har nu foreløbige beviser for, at en anden måde, hvorpå vi kan være sjældne, er at have den slags Jupiter-og-op-planeter."

"Det faktum, at gigantiske planeter er mere almindelige omkring stjerner, der er mere massive end sollignende stjerner, er et interessant puslespil, " sagde Chiang.

Fordi mange stjerner, der er synlige på nattehimlen, er massive unge stjerner kaldet A-stjerner, det betyder, at "de stjerner, du kan se på nattehimlen med dit øje, er mere tilbøjelige til at have Jupiter-masseplaneter omkring sig end de svagere stjerner, som du skal bruge et teleskop for at se, " sagde Kalas. "Det er lidt sejt."

Analysen viser også, at gasgigantplaneter og brune dværge, mens den tilsyneladende er på et kontinuum af stigende masse, kan være to adskilte populationer, der er dannet på forskellige måder. Gasgiganterne, op til omkring 13 gange Jupiters masse, ser ud til at være dannet ved ophobning af gas og støv på mindre genstande - nedefra og op. Brune dværge, mellem 13 og 80 Jupitermasser, dannet som stjerner, ved gravitationssammenbrud - fra toppen og ned - inden for den samme sky af gas og støv, som gav anledning til stjernerne.

"Jeg tror, ​​det er det klareste bevis, vi har på, at disse to grupper af objekter, planeter og brune dværge, dannes anderledes, " sagde Chiang. "De er virkelig æbler og appelsiner."

Direkte billeddannelse er fremtiden

Gemini Planet Imager kan skarpt afbilde planeter omkring fjerne stjerner, takket være ekstrem adaptiv optik, som hurtigt registrerer turbulens i atmosfæren og reducerer sløring ved at justere formen på et fleksibelt spejl. Instrumentet registrerer varmen fra kroppe, der stadig gløder fra deres egen indre energi, som exoplaneter, der er store, mellem 2 og 13 gange Jupiters masse, og unge, mindre end 100 millioner år gammel, sammenlignet med vores sols alder på 4,6 milliarder år. Selvom det blokerer det meste af lyset fra den centrale stjerne, genskæret begrænser stadig GPI til kun at se planeter og brune dværge langt fra de stjerner, de kredser om, mellem omkring 10 og 100 AU.

Holdet planlægger at analysere data om de resterende stjerner i undersøgelsen, i håb om større indsigt i de mest almindelige typer og størrelser af planeter og brune dværge.

Chiang bemærkede, at GPIES's succes viser, at direkte billeddannelse vil blive stadig vigtigere i studiet af exoplaneter, især for at forstå deres dannelse.

"Direkte billeddannelse er den bedste måde at komme til unge planeter på, " sagde han. "Når unge planeter dannes, deres unge stjerner er for aktive, for nervøs, for radial velocity or transit methods to work easily. But with direct imaging, seeing is believing."