Forbinder en stjerners kemiske sammensætning og planetdannelse

Forskere fra Penns Institut for Fysik og Astronomi har udviklet en ny metode til bedre at forstå sammenhængen mellem en stjernes kemiske sammensætning og planetdannelse. Undersøgelsen blev ledet af nyuddannet Jacob Nibauer for hans seniorafhandling med Bhuvnesh Jain og blev co-superviseret af tidligere Penn postdoc Eric Baxter. Forskerne fandt ud af, at størstedelen af ​​stjerner i deres datasæt ligner solens sammensætning, noget i modstrid med tidligere arbejde og antyder, at mange stjerner i Mælkevejen kunne være vært for deres egne jordlignende planeter. Disse resultater blev præsenteret på den 238. American Astronomical Society-konference og også offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

Den mest almindelige teknik til at finde exoplaneter, dem, der eksisterer uden for solsystemet, involverer transitmetoden, når en exoplanet bevæger sig mellem sin stjerne og observatøren og forårsager et fald i stjernens lysstyrke. Mens de fleste af de kendte exoplaneter er blevet opdaget ved hjælp af denne metode, denne tilgang er begrænset, fordi exoplaneter kun kan detekteres, når deres kredsløb og observatøren er perfekt justeret og har korte nok kredsløbsperioder. Den næstmest kraftfulde teknik, den radiale hastighed eller Doppler-metoden, har andre begrænsninger i sin evne til at finde planeter.

Dette rejser spørgsmålet, Hvis planeter ikke kan opdages omkring en stjerne, kan deres eksistens udledes ved at studere værtsstjernen? Forskerne fandt, at svaret på dette spørgsmål er et kvalificeret ja, med nye metoder, der hjælper astronomer med bedre at forstå, hvordan dannelsen af ​​exoplaneter hænger sammen med sammensætningen af ​​den stjerne, de kredser om.

"Idéen er, at planeter og stjerner er født ud af den samme fødselssky, så du kan forestille dig et scenarie, hvor en klippeplanet låser sig fast på nok materiale til at efterlade den sene stjerneoverflade udtømt i disse elementer, " siger Nibauer. "Målet er at svare på, om planet-værtsstjerner ser anderledes ud end stjerner uden planeter, og en måde at gøre det på er at søge efter signaturer for planetdannelse i sammensætningen af ​​stjerneoverfladen. Heldigvis, sammensætningen af ​​en stjerne, i det mindste af dets ydre lag, kan udledes af dets spektrum, fordelingen af ​​lysintensitet over forskellige frekvenser."

At gøre dette, forskerne brugte data fra Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE-2), med fokus på 1, 500 Mælkevejs-galaksestjerner med kemiske sammensætningsdata for fem forskellige grundstoffer. Nibauers nye bidrag var at anvende Bayesiansk statistik til at måle mængden af ​​fem stendannende, eller "ildfast, "elementer og objektivt adskiller populationer af stjerner baseret på deres kemiske sammensætning.

Nibauers metode gør det muligt for forskere at se på stjerner med lave signal-støjforhold, eller hvor målebaggrunden kan være større end stjernens eget signal. "Denne ramme, i stedet for at fokusere på en stjerne-for-stjerne-basis, kombinerer målinger på tværs af hele befolkningen, hvilket giver os mulighed for at karakterisere den globale fordeling af kemiske overfloder, " siger Nibauer. "På grund af det, vi er i stand til at inkludere meget større populationer af stjerner sammenlignet med tidligere undersøgelser."

Forskerne fandt ud af, at deres datasæt pænt adskilte stjerner i to populationer. Udtømte stjerner, som udgør størstedelen af ​​stikprøven, mangler ildfaste elementer sammenlignet med den ikke-udtømte population. Dette kunne tyde på, at det manglende ildfaste materiale i den udtømte befolkning er indespærret i klippeplaneter. Disse resultater stemmer overens med andre mindre, målrettede undersøgelser af stjerner, der bruger mere præcise kemiske sammensætningsmålinger. Imidlertid, fortolkningen af ​​disse resultater adskiller sig fra tidligere undersøgelser ved, at solen ser ud til at tilhøre en population, der udgør størstedelen af ​​prøven.

"Tidligere undersøgelser var solcentrerede, så stjerner er enten som solen eller ej, men Jake udviklede en metode til at gruppere lignende stjerner uden at referere til solen, " siger Jain. "Dette er første gang, at en metode, der 'lader dataene tale', havde fundet to populationer, og så kunne vi placere solen i en af ​​de grupper, som viste sig at være den udtømte gruppe."

Denne undersøgelse giver også en lovende vej til at identificere individuelle stjerner, som kan have større sandsynlighed for at være vært for deres egne planeter, siger Nibauer. "Det langsigtede mål er at identificere store populationer af exoplaneter, og enhver teknik, der kan sætte en sandsynlighedsbegrænsning på, om en stjerne sandsynligvis er en planetvært uden at skulle stole på den sædvanlige transitmetode, er meget værdifuld, " han siger.

Og hvis Mælkevejens stjerner er udtømte er normen, dette kunne betyde, at størstedelen af ​​disse stjerner kunne kredse om jordlignende planeter, åbner muligheden for, at stjerner, der "mangler" tungere grundstoffer, simpelthen har dem låst inde i kredsende klippefyldte exoplaneter, selvom andre mulige forbindelser til exoplaneter også undersøges. "Dette ville være spændende, hvis det bekræftes af fremtidige analyser af større datasæt, " siger Jain.