Simuleringer giver en potentiel forklaring på mystisk kløft i størrelsesfordelingen af superjord
Normalt følger planeter i udviklede planetsystemer, såsom solsystemet, stabile baner omkring deres centrale stjerne. Mange indikationer tyder dog på, at nogle planeter kan forlade deres fødesteder under deres tidlige udvikling ved at migrere indad eller udad.
Denne planetariske migration kan også forklare en observation, der har undret forskere i flere år:det relativt lave antal exoplaneter med størrelser omkring dobbelt så store som Jorden, kendt som radiusdalen eller mellemrummet. Omvendt er der mange exoplaneter, der er mindre og større end denne størrelse.
"For seks år siden afslørede en reanalyse af data fra Kepler-rumteleskopet en mangel på exoplaneter med størrelser omkring to jordradier," forklarer Remo Burn, en exoplanetforsker ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg. Han er hovedforfatter af artiklen, der rapporterer resultaterne skitseret i denne artikel, nu offentliggjort i Nature Astronomy .
Hvor kommer radiusdalen fra?
"Faktisk forudsagde vi - ligesom andre forskergrupper - baseret på vores beregninger, selv før denne observation, at et sådant hul må eksistere," forklarer medforfatter Christoph Mordasini, medlem af National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS. Han leder afdelingen for rumforskning og planetariske videnskaber ved universitetet i Bern. Denne forudsigelse opstod under hans embedsperiode som videnskabsmand ved MPIA, som i fællesskab har forsket i dette felt med University of Bern i mange år.
Den mest almindeligt foreslåede mekanisme til at forklare fremkomsten af en sådan radiusdal er, at planeter kan miste en del af deres oprindelige atmosfære på grund af bestrålingen fra den centrale stjerne, især flygtige gasser som brint og helium. "Men denne forklaring negligerer indflydelsen af planetarisk migration," præciserer Burn.
Det har været fastslået i omkring 40 år, at planeter under visse forhold kan bevæge sig indad og udad gennem planetsystemer over tid. Hvor effektiv denne migration er, og i hvilken grad den påvirker udviklingen af planetsystemer, påvirker dens bidrag til at danne radiusdalen.
Gadematiske under-Neptuner
To forskellige typer exoplaneter bebor størrelsesområdet omkring kløften. På den ene side er der klippeplaneter, som kan være mere massive end Jorden og derfor kaldes superjorder. På den anden side opdager astronomer i stigende grad såkaldte sub-Neptuner (også mini-Neptuner) i fjerne planetsystemer, som i gennemsnit er lidt større end superjorden.
"Vi har dog ikke denne klasse af exoplaneter i solsystemet," påpeger Burn. "Det er derfor, selv i dag, vi ikke er helt sikre på deres struktur og sammensætning."
Alligevel er astronomer stort set enige om, at disse planeter besidder betydeligt mere udvidede atmosfærer end klippeplaneter. Det har derfor været usikkert at forstå, hvordan disse sub-Neptunes karakteristika bidrager til radiusgabet. Kunne kløften overhovedet tyde på, at disse to typer verdener dannes forskelligt?
Vandrende isplaneter
"Baseret på simuleringer, vi allerede publicerede i 2020, indikerer og bekræfter de seneste resultater, at udviklingen af sub-Neptuner efter deres fødsel i stedet bidrager væsentligt til den observerede radius-dal," konkluderer Julia Venturini fra Geneve University. Hun er medlem af PlanetS-samarbejdet og ledede 2020-undersøgelsen.
I de iskolde områder af deres fødesteder, hvor planeter modtager lidt opvarmende stråling fra stjernen, burde sub-Neptunerne faktisk have størrelser, der mangler i den observerede fordeling. Da disse formentlig iskolde planeter migrerer tættere på stjernen, tøer isen op og danner til sidst en tyk vanddampatmosfære.
Denne proces resulterer i et skift i planetradier til større værdier. Når alt kommer til alt, kan de observationer, der anvendes til at måle planetariske radier, ikke skelne mellem, om den bestemte størrelse alene skyldes den faste del af planeten eller en yderligere tæt atmosfære.
På samme tid, som allerede foreslået i det forrige billede, "krymper" klippeplaneter ved at miste deres atmosfære. Samlet set producerer begge mekanismer en mangel på planeter med størrelser omkring to jordradier.
Fysiske computermodeller, der simulerer planetsystemer
"Bern-Heidelberg-gruppens teoretiske forskning har allerede i fortiden forbedret vores forståelse af dannelsen og sammensætningen af planetsystemer betydeligt," forklarer MPIA-direktør Thomas Henning. "Den aktuelle undersøgelse er derfor resultatet af mange års fælles forberedende arbejde og konstante forbedringer af de fysiske modeller."
De seneste resultater stammer fra beregninger af fysiske modeller, der sporer planetdannelse og efterfølgende udvikling. De omfatter processer i gas- og støvskiverne omkring unge stjerner, der giver anledning til nye planeter. Disse modeller omfatter fremkomsten af atmosfærer, blanding af forskellige gasser og radial migration.
"Centralt i denne undersøgelse var vandets egenskaber ved tryk og temperaturer, der forekommer inde i planeter og deres atmosfærer," forklarer Burn. At forstå, hvordan vand opfører sig over en bred vifte af tryk og temperaturer, er afgørende for simuleringer. Denne viden har først været af tilstrækkelig kvalitet i de senere år. Det er denne komponent, der tillader realistisk beregning af sub-Neptunernes adfærd, og forklarer derfor manifestationen af omfattende atmosfærer i varmere områder.
"Det er bemærkelsesværdigt, hvordan fysiske egenskaber på molekylære niveauer, som i dette tilfælde, påvirker astronomiske processer i stor skala, såsom dannelsen af planetariske atmosfærer," tilføjer Henning.
"Hvis vi skulle udvide vores resultater til køligere områder, hvor vand er flydende, kan det tyde på eksistensen af vandverdener med dybe oceaner," siger Mordasini. "Sådanne planeter kunne potentielt være vært for liv og ville være relativt ligetil mål til at søge efter biomarkører, takket være deres størrelse."
Yderligere arbejde forude
Det nuværende arbejde er dog blot en vigtig milepæl. Selvom den simulerede størrelsesfordeling nøje matcher den observerede, og radiusgabet er på det rigtige sted, har detaljerne stadig nogle uoverensstemmelser. For eksempel ender for mange isplaneter for tæt på den centrale stjerne i beregningerne. Ikke desto mindre opfatter forskere ikke denne omstændighed som en ulempe, men håber på at lære mere om planetarisk migration på denne måde.
Observationer med teleskoper som James Webb Space Telescope (JWST) eller under-konstruktion Extremely Large Telescope (ELT) kunne også hjælpe. De ville være i stand til at bestemme sammensætningen af planeter afhængigt af deres størrelse og dermed give en test for simuleringerne beskrevet her.
MPIA-forskerne involveret i denne undersøgelse er Remo Burn og Thomas Henning.
Andre forskere inkluderer Christoph Mordasini (Universitetet i Bern, Schweiz [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Schweiz [Unige] og Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) og Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian) Universitetet i München, Tyskland og Unibe).
NASA Kepler-rumteleskopet søgte efter planeter omkring andre stjerner mellem 2009 og 2018 og opdagede tusindvis af nye exoplaneter under dets drift. Den brugte transitmetoden:Når en planets bane hælder på en måde, så flyet ligger inden for teleskopets sigtelinje, blokerer planeter periodisk en del af stjernens lys under deres kredsløb. Denne periodiske udsving i stjernens lysstyrke muliggør en indirekte detektering af planeten og bestemmelse af dens radius.
Flere oplysninger: En radiusdal mellem migrerede dampverdener og fordampede klippekerner, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7
Journaloplysninger: Naturastronomi
Leveret af Max Planck Society
Varme artikler
-
Astronaut Luca mærker kraften, for at fremme roverkontrolESA-astronaut Luca Parmitano skrev robothistorie, når ud fra den internationale rumstation i kredsløb om Jorden med 8 km/s, at styre en jordbaseret rover, udstyret med en avanceret griber, der har den -
To månekratere opkaldt efter Apollo 8 -astronauterEarthrise -fotoet taget af Apollo 8 -astronauten William Anders. Sandsynligvis det mest ikoniske billede, der nogensinde er taget af Jorden, det er blevet krediteret med at have startet miljøbevægelse -
Forskere præsenterer nye spor for at skære igennem mysterierne om Titans atmosfæriske disTitans atmosfæriske dis, Saturns største måne (afbilledet her langs Saturns midtersektion), er taget i dette naturfarvebillede (boks til venstre). En ny undersøgelse, som involverede eksperimenter på -
Borgerforskere finder en ny verden med NASA-teleskopKredit:CC0 Public Domain Ved at bruge data fra NASAs Kepler-rumteleskop, borgerforskere har opdaget en planet, der er omtrent dobbelt så stor som Jorden, beliggende inden for dens stjernes beboeli
- Top 10 rumkonspirationsteorier
- Ansjos spiser plastik, fordi det lugter som bytte
- Forskning viser, at gig-økonomi giver et mentalt sundhedsløft til arbejdere
- Biokompatibel grafentransistorarray læser cellulære signaler
- Irma svækkes, men 6,2 mn uden strøm i Florida
- Tre måder at gøre en elektromagnet stærkere