Forskere griber en sjælden chance for at se fjerntliggende stjernesystem udvikle sig

Ved kun 1 % af solens alder, det binære system DS Tuc viser os, hvordan en planet kan udvikle sig naturligt, før dens kredsløb forstyrres af eksterne kræfter.

En ung planet, der er placeret 150 lysår væk, har givet astrofysikere fra UNSW Sydney en sjælden chance for at studere et planetsystem under udvikling.

Fundene, for nylig offentliggjort i Astronomisk Tidsskrift , tyder på, at planeten DS Tuc Ab – som kredser om en stjerne i et binært system – er dannet uden at blive kraftigt påvirket af den anden stjernes tyngdekraft.

"Vi forventede, at trækket fra den anden stjerne ville vippe den roterende skive af gas og støv, der engang omgav hovedstjernen - en proces, der ville skævvride planetens kredsløb, " siger Dr. Benjamin Montet, Scientia Fellow ved UNSW Sydney og hovedforfatter af undersøgelsen.

"Overraskende nok, vi fandt ingen beviser for, at planetens kredsløb blev påvirket. Vi fandt også planeten dannet gennem relativt rolige processer - hvilket betyder, at det kunne være muligt for jordlignende planeter at overleve i binære systemer som dette."

Dr. Montet arbejdede sammen med et internationalt team af forskere ved Magellan-teleskoperne placeret ved Las Campanas-observatoriet i Chile. De brugte Planet Finder Spectrograph til at måle Rossiter-McLaughlin-effekten, som er den relative vinkel mellem planetens bane og dens stjernes spin.

De opdagede, at planeten DS Tuc Ab kredser om sin stjerne i et relativt fladt plan, 12 graders hældning fra stjernens rotationsakse. Denne lave hældning - kaldet obliquity - antyder, at trækket fra følgestjernen ikke drejrede kredsløbet af den protoplanetariske skive, hvor DS Tuc Ab dannedes, markant.

Mens planeter i solsystemet alle har en lav skråstilling, det er usædvanligt for planeter som DS Tuc Ab.

"De fleste lignende planeter kredser om deres stjerne i tilfældige vinkler, nogle gange når de op til 90 grader over deres stjernes akse, " siger Dr. Montet.

"DS Tuc-systemet er det første bevis på, at højere kredsløbsvinkler ikke bliver defineret tidligt i en stjernes liv - de er en effekt, der først opstår senere."

40 millioner år gammel, gasgiganten DS Tuc Ab betragtes som en 'pre-teen' i planetår. Der er færre end ti planeter, vi kender til, som er så unge.

Dets alder er en unik chance for astrofysikere til at studere et system under udvikling, før ydre påvirkninger forstyrrer.

"For at finde ud af, hvor længe planetsystemer holder, vi har brug for systemer, der er for unge til at gennemgå dynamiske interaktioner, men gammel nok til at have dannet planeter. DS Tuc-systemet er præcis i den niche, " siger Dr. Montet.

DS Tuc Ab:en "Hot Neptun"

Planeten DS Tuc Ab er en gasplanet på størrelse med Neptun, der kredser tæt og hurtigt om sin stjerne - en omgang om dens stjerne tager kun 8,1 dage. Disse typer planeter er kendt som "Hot Neptunes" for deres høje hastigheder og nærhed til deres stjerner.

Hot Neptunes er ulig noget, vi har i solsystemet.

Selv den mindste og nærmeste planet til vores sol, Kviksølv, tager næsten 100 dage at fuldføre sit kredsløb. Vores nærmeste gasplanet, Jupiter, tager over 4300 dage.

Det er usandsynligt, at gigantiske gasplaneter udvikler sig tæt på deres stjerner. Den nuværende forståelse er, at de dannes længere væk og, over tid, en kraft får dem til at bevæge sig tættere på deres stjerner.

Forskere vil gerne vide, hvad denne kraft er.

"Der er to hovedteorier om, hvordan Hot Neptunes kom til at være så tæt på deres stjerner, " siger Dr. Montet.

"En teori er, at en ydre kraft - potentielt en kollision med flere legemer i nærheden - 'sparker' dem tættere ind, hvor de vakler og til sidst sætter sig på en ny bane.

"En anden teori er, at glatte processer inden for planetskiven skaber en kraft, der gradvist trækker planeten tættere på stjernen."

At teste skævheden kan hjælpe videnskabsmænd med at afdække, hvilken kraft der var på spil. Planeter med lave skævheder forstås at være dannet af glatte diskprocesser, mens mere dramatiske processer vil føre til tilfældige eller høje skævheder.

Imidlertid, astrofysikere er for nylig blevet fascineret af forslaget om, at brede dobbeltstjerner kan vippe unge planeters kredsløb omkring deres stjerner - mens denne proces ville være jævn, det ville resultere i planeter med høje kredsløbshældninger.

"Hvis sandt, dette ville ændre vores teori om planetdannelse!" siger Dr. Montet.

Selvom denne teori ikke blev understøttet af DS Tuc Ab's lave skævhed, videnskabsmænd søger mod himlen efter flere unge binære systemer at teste.

Den næste generation af planetsystemer

Når det kommer til at lære af stjernesystemer, mange af de systemer, vi kan observere i dag, giver en unøjagtig historie om systemets fortid.

"Nutidige systemer er ikke rene laboratorier, " siger Dr. Montet.

"I løbet af milliarder af år, planet-planet og planet-stjerne interaktioner kan spredes, drejningsmoment, migrere, og forstyrre baner, gør det, vi ser i dag, meget anderledes end, hvordan de oprindeligt blev dannet."

Det tager mellem 10 og 100 millioner år at danne planeter, men de fleste af de planeter, der er synlige fra Jorden, er meget ældre. DS Tuc-systemet er 45 millioner år gammelt - kun 1% af solens alder.

"DS Tuc Ab er i en interessant alder, " siger Dr. Montet. "Den protoplanetariske skive er forsvundet, og vi kan se planeten, men den er stadig for ung til, at andre fjerne stjerners kredsløb kan manipulere dens vej.

"Det giver os chancen for at forstå planetdannelsens dynamik på en måde, som en fem milliarder år gammel stjerne ikke gør."

DS Tuc A er den yngste stjerne, for hvilken spin-orbit-justeringen nogensinde er blevet målt.

Søger himlen

DS Tuc Ab er kun synlig fra den sydlige halvkugle. Det blev opdaget sidste år gennem NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) mission - en opmålingsmission for hele himlen, der har til formål at opdage tusindvis af exoplaneter nær klare stjerner.

Montet arbejdede tæt sammen med forskere ved Harvard og Carnegie universiteterne, som også målte DS Tuc Abs skævhed, men brugte Doppler-tomografimetoden.

"De første exoplanetsøgninger blev udført i faciliteter på den nordlige halvkugle, og så gik de glip af mange af planeterne langt sydpå, " siger Dr. Montet.

"NASAs TESS-mission ændrer på det. Det er at finde alle disse planeter omkring stjerner, som tidligere ikke var blevet søgt efter."

Dr. Montet og hans team leder et forsøg på at finde og karakterisere flere planeter omkring unge stjerner. De håber at studere, hvordan stjernernes aktivitet, såsom stjerneblus og stjernepletter, kunne påvirke planetdetektion og beboelighed.

"Det er en udfordring at finde unge planeter. Vi er virkelig nødt til at forstå forældrestjernens adfærd for at kunne finde de overfladiske signaler fra disse planeter, som kan blive overvældet af stjernepletter og blus, " siger Adina Feinstein, en National Science Foundation Graduate Research Fellow ved University of Chicago og medforfatter af undersøgelsen.

"Der er ingen grund til, at jordlignende planeter ikke kunne dannes og overleve i Hot Neptun-systemer som denne, " siger Dr. Montet.

"Vi skal bare ud og finde dem."