En super-pust planet som ingen anden

Kernemassen af ​​den gigantiske exoplanet WASP-107b er meget lavere end hvad man troede var nødvendigt for at opbygge den enorme gaskappe, der omgiver gigantiske planeter som Jupiter og Saturn, astronomer ved Université de Montréal har fundet.

Denne spændende opdagelse af Ph.D. studerende Caroline Piaulet fra UdeM's Institute for Research on Exoplanets (iREx) antyder, at gasgigantiske planeter dannes meget lettere end tidligere antaget.

Piaulet er en del af det banebrydende forskerhold af UdeM astrofysikprofessor Björn Benneke, der i 2019 annoncerede den første påvisning af vand på en exoplanet placeret i dens stjernes beboelige zone.

Udgivet i dag i Astronomisk Tidsskrift med kolleger i Canada, USA., Tyskland og Japan, den nye analyse af WASP-107bs interne struktur "har store implikationer, sagde Benneke.

"Dette arbejde omhandler selve grundlaget for, hvordan gigantiske planeter kan dannes og vokse, " sagde han. "Det giver et konkret bevis på, at massiv tilvækst af en gaskappe kan udløses for kerner, der er meget mindre massive end tidligere antaget."

Lige så stor som Jupiter, men 10 gange lettere

WASP-107b blev først opdaget i 2017 omkring WASP-107, en stjerne omkring 212 lysår fra Jorden i stjernebilledet Jomfruen. Planeten er meget tæt på sin stjerne - over 16 gange tættere på, end Jorden er på Solen. Så stor som Jupiter, men 10 gange lettere, WASP-107b er en af ​​de mindst tætte exoplaneter, der er kendt:en type, som astrofysikere har kaldt "super-pust" eller "sukkerbomuld"-planeter.

Piaulet og hendes team brugte først observationer af WASP-107b opnået ved Keck Observatory i Hawai'i for at vurdere dens masse mere nøjagtigt. De brugte radialhastighedsmetoden, som gør det muligt for forskere at bestemme en planets masse ved at observere den slingrende bevægelse af dens værtsstjerne på grund af planetens tyngdekraft. De konkluderede, at massen af ​​WASP-107b er omkring en tiendedel af Jupiter, eller omkring 30 gange Jordens.

Holdet lavede derefter en analyse for at bestemme planetens mest sandsynlige indre struktur. De kom til en overraskende konklusion:med så lav en tæthed, planeten skal have en fast kerne på ikke mere end fire gange Jordens masse. Det betyder, at mere end 85 procent af dens masse er inkluderet i det tykke gaslag, der omgiver denne kerne. Til sammenligning, Neptun, som har en masse svarende til WASP-107b, har kun 5 til 15 procent af sin samlede masse i sit gaslag.

"Vi havde en masse spørgsmål om WASP-107b, " sagde Piaulet. "Hvordan kunne en planet med så lav tæthed dannes? Og hvordan forhindrede det sit enorme lag af gas i at undslippe, især i betragtning af planetens nærhed til dens stjerne?

"Dette motiverede os til at lave en grundig analyse for at bestemme dens dannelseshistorie."

En gasgigant i støbeskeen

Planeter dannes i skiven af ​​støv og gas, der omgiver en ung stjerne kaldet en protoplanetarisk skive. Klassiske modeller af gasgigantisk planetdannelse er baseret på Jupiter og Saturn. I disse, en fast kerne, der er mindst 10 gange mere massiv end Jorden, er nødvendig for at akkumulere en stor mængde gas, før skiven forsvinder.

Uden en massiv kerne, gasgigantiske planeter blev ikke anset i stand til at krydse den kritiske tærskel, der var nødvendig for at opbygge og fastholde deres store gaskonvolutter.

Hvordan forklarer man så eksistensen af ​​WASP-107b, som har en meget mindre massiv kerne? McGill University professor og iREx medlem Eve Lee, en verdenskendt ekspert i super-puff planeter som WASP-107b, har flere hypoteser.

"For WASP-107b, det mest plausible scenarie er, at planeten blev dannet langt væk fra stjernen, hvor gassen i skiven er kold nok til, at gastilvækst kan ske meget hurtigt, " sagde hun. "Planeten var senere i stand til at migrere til sin nuværende position, enten gennem interaktioner med disken eller med andre planeter i systemet."

Opdagelse af en anden planet, WASP-107c

Keck-observationerne af WASP-107-systemet dækker en meget længere periode end tidligere undersøgelser har, giver det UdeM-ledede forskerhold mulighed for at gøre en yderligere opdagelse:eksistensen af ​​en anden planet, WASP-107c, med en masse på omkring en tredjedel af Jupiters, betydeligt mere end WASP-107b's.

WASP-107c er også meget længere fra den centrale stjerne; det tager tre år at fuldføre et kredsløb omkring det, sammenlignet med kun 5,7 dage for WASP-107b. Også interessant:excentriciteten af ​​denne anden planet er høj, hvilket betyder, at dens bane omkring sin stjerne er mere oval end cirkulær.

"WASP-107c har i nogle henseender bevaret hukommelsen om, hvad der skete i dets system, sagde Piaulet. Dens store excentricitet antyder en ret kaotisk fortid, med interaktioner mellem planeterne, som kunne have ført til betydelige forskydninger, som den, der er mistænkt for WASP-107b."

Flere spørgsmål

Ud over sin dannelseshistorie, der er stadig mange mysterier omkring WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise:it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant, " said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets, " she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower:a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration, " by Caroline Piaulet et al., was posted today in the  Astronomisk Tidsskrift .