Simuleringer afslører, at klippefyldte superjorder med tynde atmosfærer ofte er beskyttet af en Jupiter-lignende planet

En international gruppe af astronomer, ledet af Martin Schlecker fra Max Planck Institute for Astronomy, har fundet ud af, at arrangementet af rocky, gasformige og iskolde planeter i planetsystemer er tilsyneladende ikke tilfældige og afhænger kun af nogle få begyndelsesbetingelser. Studiet, som vil blive vist i det videnskabelige tidsskrift Astronomi og astrofysik , er baseret på en ny simulering, der sporer udviklingen af ​​planetsystemer over flere milliarder år. Planetsystemer omkring sollignende stjerner, som producerer i deres indre områder superjord med lavt vand- og gasindhold, danner meget ofte en planet, der kan sammenlignes med vores Jupiter på en ydre bane. Sådanne planeter hjælper med at holde potentielt farlige genstande væk fra de indre områder.

Forskere formoder, at planeten Jupiter spillede en vigtig rolle i udviklingen af ​​liv på Jorden, fordi dens tyngdekraft ofte afbøjer potentielt farlige asteroider og kometer på deres kredsløb ind i klippeplaneternes zone på en måde, der reducerer antallet af katastrofale kollisioner. Denne omstændighed rejser derfor gentagne gange spørgsmålet, om en sådan kombination af planeter er ret tilfældig, eller om det er et almindeligt resultat af dannelsen af ​​planetsystemer.

Tørre superjorder og kolde jupitere

Forskere fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, University of Bern og University of Arizona har nu fundet stærke beviser på, at klippeplaneter, der ligner Jorden, forekommer iøjnefaldende ofte sammen med en Jupiter-lignende planet, der er i en bred bane.

"Vi kalder sådanne gasgiganter for kolde Jupitere. De vokser i en afstand fra den centrale stjerne, hvor der findes vand i form af is, " forklarer Martin Schlecker, en doktorand ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, der ledede undersøgelsen. De undersøgte jordlignende planeter er såkaldte tørre superjorder, dvs. klippeplaneter større og mere massive end Jorden, som kun har en tynd atmosfære og næsten ingen vand eller is. De befolker det indre, dvs. tempererede zone af planetsystemerne og ligner meget Jorden bortset fra deres størrelse. "Også, jorden er, på trods af de enorme oceaner og polarområderne, med en volumenfraktion for vand på kun 0,12% i alt en tør planet, " påpeger Schlecker.

At finde en kold Jupiter sammen med en isrig superjord i den indre region er derfor næsten umuligt. Desuden, tæt, udvidede gaskonvolutter findes hovedsageligt i massive superjorder.

Simuleringer giver indsigt i processer, der er svære at måle

Disse konklusioner er baseret på en statistisk evaluering af nye simuleringer af 1000 planetsystemer, der udvikler sig i en protoplanetarisk skive omkring en sollignende stjerne. Disse simuleringer er den seneste præstation i et langvarigt samarbejde mellem University of Bern og MPIA for at studere planeternes oprindelse fra et teoretisk perspektiv. Med udgangspunkt i tilfældige begyndelsesbetingelser, f.eks., for masserne af gas og fast stof, størrelsen af ​​skiven og positionerne af frøcellerne på nye planeter, forskerne fulgte livscyklussen af ​​disse systemer over flere milliarder år. "Under simuleringerne, de planetariske embryoner indsamlede materiale, voksede til planeter, ændrede deres kredsløb, kolliderede eller blev slynget ud af systemet, " Christoph Mordasini fra University of Bern og medforfatter til forskningspapiret beskriver de simulerede processer. De simulerede planetsystemer havde til sidst planeter af forskellig størrelse, masser og sammensætninger på forskellige baner omkring den centrale stjerne.

Hubert Klahr, leder af arbejdsgruppen om teorien om planetdannelse på MPIA, forklarer:"Sådanne simuleringer understøtter undersøgelsen af ​​exoplanetære systemer, da planeter som kolde Jupiters kræver meget tid til at kredse om deres moderstjerne på deres brede baner." Dette gør det vanskeligt at finde dem gennem observation, så søgen efter exoplaneter afspejler ikke realistisk den faktiske sammensætning af planetsystemer. Astronomer er mere tilbøjelige til at finde højmasseplaneter i tætte kredsløb omkring lavmassestjerner. "Simuleringer, på den anden side, er i princippet uafhængige af sådanne begrænsninger, " tilføjer Klahr.

Observationer og simuleringer stemmer ikke overens

"Vi ønskede at verificere et overraskende fund efter observationer foretaget i de senere år, at planetsystemer med en kold Jupiter næsten altid indeholder en superjord, " siger Schlecker. Omvendt, omkring 30 % af alle planetsystemer, hvori superjorden er dannet, ser også ud til at have en kold Jupiter. Det ville være plausibelt at forvente, at massive planeter er mere tilbøjelige til at forstyrre planetsystemer under deres dannelse på en sådan måde, at dannelsen af ​​andre planeter hindres. Imidlertid, disse kolde Jupitere synes at være tilstrækkeligt langt væk fra det indre, så deres indflydelse på udviklingen synes at være ret lille.

Imidlertid, evalueringen af ​​de simulerede planetsystemer kunne ikke bekræfte denne tendens. Kun en tredjedel af alle kolde Jupitere var ledsaget af mindst én superjord. Desuden, astronomer fandt en kold Jupiter i kun 10% af alle syntetiske planetsystemer med superjord. Dermed, simuleringerne viser, at både superjord og kold Jupiter kun er lidt mere tilbøjelige til at forekomme sammen i et planetsystem, end hvis de optrådte alene. Forskerne tilskriver dette resultat flere årsager.

En forklaring har at gøre med den hastighed, hvormed gasplaneter gradvist vandrer indad. Planetdannelsesteori ser ud til at forudsige højere hastigheder end observeret, fører til en øget ophobning af gasgiganter på baner med mellemafstand. I simuleringerne disse "varme Jupitere" forstyrrer de indre baner og får flere superjorder til at blive slynget ud eller endda støde sammen i gigantiske kollisioner. Med en lidt lavere tendens hos de simulerede gasplaneter til at migrere, mere af superjorden ville forblive, hvilket ville være mere foreneligt med observationerne.

Simuleringer forudsiger fremtidige opdagelser

Nu, observationerne skelner kun groft mellem forskellige typer superjorder, fordi deres nøjagtige karakterisering ville kræve præcise målinger, som næppe er mulige med nutidens instrumenter. I simuleringerne af Bern-Heidelberg-gruppen, imidlertid, dette opnås ved at spore en planets vej inden for den protoplanetariske skive og dens møder med andre planeter. "Vi fandt et betydeligt overskud af planetsystemer indeholdende både en kold Jupiter og mindst én tør superjord, dvs. med lidt vand eller is, og højst en tynd atmosfære, Schlecker bemærker. En sammenligning med observationsdata er vanskelig, på grund af de omkring 3200 planetsystemer kendt til dato, kun 24 har vist sig at være sammenlignelige med en sådan konstellation. Alligevel, de tilgængelige resultater stemmer godt overens. På den anden side, der er næppe nogen planetsystemer, hvori der samtidig eksisterer superjorder med en høj andel af is og en kold Jupiter.

Baseret på disse resultater, astronomerne i denne undersøgelse har udviklet et scenarie, der kunne forklare dannelsen af ​​disse ganske forskellige typer af planetsystemer. Som simuleringerne viser, den endelige konstellation bestemmes hovedsageligt af massen af ​​den protoplanetariske skive, dvs. mængden af ​​tilgængeligt materiale til opbygning af planeter.

I skiver med medium masse er der ikke nok materiale i det indre, varme region til at producere super-jord. På samme tid, mængden er også for lille i de ydre dele ud over snegrænsen, hvor vand er til stede i frossen form og andelen af ​​isstykker er ret stor, at danne massive planeter som Jupiter. I stedet, materialet der kondenserer til superjorde med en høj andel af is med en muligvis udvidet gaskappe. Disse superjorde migrerer gradvist indad. I modsætning, der er nok materiale i massive skiver til at danne både jordlignende klippeplaneter i moderate afstande fra den centrale stjerne og kolde kæmpeplaneter ud over snegrænsen. Disse klippeplaneter er fattige på is og gas. Uden for den kolde Jupiters kredsløb, isrig superjord kan dannes, men deres migration i radial retning er begrænset af indflydelsen fra den gigantiske planet. Derfor, de kan ikke komme ind i det indre, varm zone.

Bekræftelse af forudsigelsen er kun mulig om et par år

Imidlertid, det vil kun være muligt at verificere dette koncept med kraftige teleskoper såsom Extremely Large Telescope (ELT) fra European Southern Observatory eller James Webb Space Telescope (JWST). Begge forventes at være operationelle inden for dette årti. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

I princippet, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Så, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Imidlertid, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Af denne grund, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.