Fjerne gigantiske planeter dannes anderledes end fejlslagne stjerner

Et hold af astronomer ledet af Brendan Bowler fra University of Texas i Austin har undersøgt dannelsesprocessen af ​​gigantiske exoplaneter og brune dværge, en klasse af objekter, der er mere massive end gigantiske planeter, men ikke massive nok til at antænde kernefusion i deres kerner til at skinne som ægte stjerner.

Brug af direkte billeddannelse med jordbaserede teleskoper i Hawaii-W. M. Keck-observatoriet og Subaru-teleskopet på Maunakea – holdet studerede kredsløbene for disse svage ledsagere, der kredsede om stjerner i 27 systemer. Disse data, kombineret med modellering af banerne, tillod dem at bestemme, at de brune dværge i disse systemer dannede sig som stjerner, men gasgiganterne dannede sig som planeter.

Forskningen er publiceret i det aktuelle nummer af Det astronomiske tidsskrift .

I de sidste to årtier, teknologiske spring har gjort det muligt for teleskoper at adskille lyset fra en moderstjerne og et meget svagere objekt i kredsløb. I 1995, denne nye evne producerede de første direkte billeder af en brun dværg, der kredsede om en stjerne. Det første direkte billede af planeter, der kredsede om en anden stjerne, fulgte i 2008.

"I løbet af de sidste 20 år, vi har hoppet ned og ned i massevis, Bowler sagde om den direkte billeddannelsesevne, bemærker, at den nuværende grænse er omkring 1 Jupitermasse. Efterhånden som teknologien er blevet bedre, "Et af de store spørgsmål, der er dukket op, er 'Hvad er karakteren af ​​de ledsagere, vi finder?"

Brune dværge, som defineret af astronomer, har masser mellem 13 og 75 Jupitermasser. De har karakteristika til fælles med både planeter og stjerner, og Bowler og hans team ønskede at afgøre spørgsmålet:Er gasgigantiske planeter på yderkanten af ​​planetsystemer toppen af ​​det planetariske isbjerg? eller lavmasseenden af ​​brune dværge? Tidligere forskning har vist, at brune dværge, der kredser om stjerner, sandsynligvis er dannet som stjerner med lav masse, men det har været mindre klart, hvad der er den laveste massefølge, som denne dannelsesmekanisme kan producere.

"En måde at komme til dette på er at studere dynamikken i systemet - at se på banerne, " sagde Bowler. Deres baner i dag rummer nøglen til at låse op for deres udvikling.

Ved at bruge Keck Observatorys adaptive optik (AO) system med det nær-infrarøde kamera, anden generation (NIRC2) instrument på Keck II-teleskopet, samt Subaru-teleskopet, Bowlers hold tog billeder af gigantiske planeter og brune dværge, mens de kredser om deres forældrestjerner.

Det er en lang proces. De gasgiganter og brune dværge, de studerede, er så fjernt fra deres moderstjerner, at en bane kan tage flere hundrede år. For at bestemme selv en lille procentdel af kredsløbet, "Du tager et billede, du venter et år, "for den svage ledsager at rejse lidt, sagde Bowler. Så "tager du et andet billede, du venter et år mere."

Denne forskning var baseret på AO-teknologi, som gør det muligt for astronomer at korrigere for forvrængninger forårsaget af Jordens atmosfære. Da AO-instrumenter løbende er blevet forbedret i løbet af de sidste tre årtier, flere brune dværge og gigantiske planeter er blevet direkte afbildet. Men da de fleste af disse opdagelser er blevet gjort i løbet af det sidste årti eller to, holdet har kun billeder svarende til nogle få procent af hvert objekts samlede kredsløb. De kombinerede deres nye observationer af 27 systemer med alle de tidligere observationer offentliggjort af andre astronomer eller tilgængelige i teleskoparkiver.

På dette tidspunkt, computermodellering kommer ind. Medforfattere på dette papir har hjulpet med at skabe en banetilpasningskode kaldet "Orbitize!" som bruger Keplers love for planetarisk bevægelse til at identificere hvilke typer af kredsløb, der stemmer overens med de målte positioner, og som ikke er.

Koden genererer et sæt mulige baner for hver ledsager. Den lille bevægelse af hver kæmpeplanet eller brun dværg danner en "sky" af mulige baner. Jo mindre skyen er, jo flere astronomer nærmer sig ledsagerens sande kredsløb. Og flere datapunkter – dvs. mere direkte billeder af hvert objekt, mens det kredser – vil forfine kredsløbets form.

"I stedet for at vente årtier eller århundreder på, at en planet fuldfører et kredsløb, vi kan kompensere for den kortere tidsbaselinje for vores data med meget nøjagtige positionsmålinger, " sagde teammedlem Eric Nielsen fra Stanford University. "En del af Orbitize! som vi udviklede specifikt til at passe til partielle baner, OFTI [Orbits For The Utålmodig], gjorde det muligt for os at finde kredsløb selv for de længste ledsagere."

At finde formen på banen er nøglen:Objekter, der har mere cirkulære baner, er sandsynligvis dannet som planeter. Det er, da en sky af gas og støv kollapsede og dannede en stjerne, den fjerne ledsager (og andre planeter) dannet af en fladtrykt skive af gas og støv, der roterer omkring den stjerne.

På den anden side, dem, der har mere aflange baner, er sandsynligvis dannet som stjerner. I dette scenarie, en klump af gas og støv var ved at kollapse og danne en stjerne, men det brækkede i to klumper. Hver klump kollapsede derefter, en der danner en stjerne, og den anden en brun dværg, der kredser om den stjerne. Dette er i bund og grund et binært stjernesystem, selvom den indeholder en rigtig stjerne og en "mislykket stjerne".

"Selvom disse ledsagere er millioner af år gamle, mindet om, hvordan de blev dannet, er stadig indkodet i deres nuværende excentricitet, " Nielsen added. Eccentricity is a measure of how circular or elongated an object's orbit is.

The results of the team's study of 27 distant companions was unambiguous.

"The punchline is, we found that when you divide these objects at this canonical boundary of more than about 15 Jupiter masses, the things that we've been calling planets do indeed have more circular orbits, as a population, compared to the rest, " Bowler said. "And the rest look like binary stars."

The future of this work involves both continuing to monitor these 27 objects, as well as identifying new ones to widen the study. "The sample size is still modest, i øjeblikket, " Bowler said. His team is using the Gaia satellite to look for additional candidates to follow up using direct imaging with even greater sensitivity at the forthcoming Giant Magellan Telescope (GMT) and other facilities. UT-Austin is a founding member of the GMT collaboration.

Bowler's team's results reinforce similar conclusions recently reached by the GPIES direct imaging survey with the Gemini Planet Imager, which found evidence for a different formation channel for brown dwarfs and giant planets based on their statistical properties.