Små stjärnor kan ha stora planeter

 

Gasjättar likt andra planeter bildas från de skivor av material som omger unga stjärnor. Enligt kärnaccelerationsteorin bildas först en kärna av sten, is och andra tunga fasta ämnen som sedan genom gravitation drar till sig gas och damm. Processen börjar då kärnan är tillräckligt massiv (cirka 15 till 20 gånger jordens).

Stjärnor med låg massa (ex röda dvärgstjärnor de vanligaste stjärnorna därute) har enligt teorin skivor (ackretionsskivor) med mindre massa enligt fysiska utsagor och det bör inte vara möjligt att här bilda stora gasjättar av ett slag som är större än stjärnan. 

Men i en nyligen gjord studie, publicerad i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) finansierad av UK Science and Technology Facilities Council (STFC), såg forskare på 91306 stjärnor med låg massa, med hjälp av observationsdata från NASA: s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) och i 15 fall hittades tecken på ett stort ljusfenomen som passerar framför en mindre stjärna (misstänkt som gasjätteplanet större än dess sol).

Fem av dessa 15 potentiella jätteplaneter har sedan dess bekräftats som planeter. En av dessa bekräftade planeter kretsar kring en stjärna som är en femtedel av solens massa – vilket inte skulle vara möjligt enligt dagens planetbildningsmodeller. Ska förstås som omöjligt att en sådan stor planet bildats vid en så liten stjärna.

Huvudförfattaren till studien Dr Ed Bryant vid Mullard Space Science initierade Laboratory vid UCL, tidigare University of Warwick, var den som tog initiativ till studien som en del av sin doktorsexamen. Han beskriver det som att ”Stjärnor med låg massa är bättre på att bilda jätteplaneter än vi hittills trodde. Resultatet väcker nya frågor om planetbildningsmodeller. I synnerhet utgör vår upptäckt av gasjättar som kretsar kring stjärnor av 20 % av solens massa en konflikt med nuvarande teori om planetbildning”.

Medförfattare till studien Dr Vincent Van Eylen (Mullard Space Science Laboratory vid UCL) beskriver det med följande ord "Det faktum att, även om det är sällsynt, finns gasjättar runt stjärnor med låg massa vilket är ett oväntat fynd och innebär att modeller om  planetbildning kommer att behöva revideras."

En möjlig tolkning är att gasjättar inte bildas genom kärnacceleration utan genom gravitationell instabilitet, där skivan som omger en stjärna fragmenteras till planetstora klumpar av stoft och gas. Om så är fallet kan stjärnor med låg massa vara värd för mycket stora gasjättar två eller tre gånger större  än Jupiter. Detta anses dock osannolikt, eftersom skivorna runt stjärnor med låg massa inte verkar vara tillräckligt massiva för att fragmenteras på detta sätt. För min del låter det dock troligt att så kan ske. Vi ska inte låsa oss vid hur mycket massa som finns i en ackretionskiva utifrån ett samband med hur stor stjärnan är.

En annan förklaring, säger forskarna, är att astronomer har underskattat hur massiv en stjärnas skiva kan vara, vilket innebär att små stjärnor trots allt kan bilda jätteplaneter via kärnbildning.

Detta kan antingen bero på att vi felaktigt har beräknat massan av skivor vi kan observera genom teleskop eller att skivor har en större massa i början av en stjärnas liv, stadiet då de är mycket utmanande att analysera  (med dagens instrument), jämfört med senare i en stjärnas existens när vi kan observera dem lättare (då dammet inte är så kompakt i skivan).

Medförfattare i studien var även Dr Dan Bayliss (University of Warwick) skrev "Det är möjligt att vi inte förstår massorna av dessa protoplanetära skivor så bra som vi trodde att vi gjorde. Kraftfulla nya instrument som James Webb Space Telescope kommer att kunna studera egenskaperna hos dessa skivor mer detaljerat.

I artikeln beskrivs hur forskarna  försökte identifiera hur ofta jätteplaneter bildas runt stjärnor med låg massa och testade om denna förekomstfrekvens passade med vad kärnaccelerationsmodeller skulle förutsäga.

De använde en algoritm för att identifiera signalerna från transiterande gasjättar i ljus från stjärnor med låg massa. De kontrollerade sedan dessa signaler och diskonterade ett antal falska positiva resultat.

För att avgöra hur sannolik deras metod var att upptäcka gasjättar som kretsar kring dessa stjärnor är satte de in simuleringar av tusentals signaler från transiterande planeter i TESS insamlad stjärnljusdata och körde sedan algoritmen för att se hur många av planeter som skulle detekteras.

Nu arbetar forskarna vidare med att försöka bekräfta om ljusen är stora gasplaneter (eller utesluta) nio av de 15 kandidatplaneter de identifierat (fem har hittills bekräftats som planeter). Dessa kandidater kan potentiellt vara följeslagare till stjärnor eller det kan finnas en annan anledning till nedgångarna i ljusstyrka. Teamet kommer att dra slutsatsen om dessa objekts massor genom att leta efter en anomali i deras sols position, vilket indikerar den möjliga planetens gravitation.

Bild https://phys.org  Illustratörs intryck av soluppgången på planeten NGTS-1b, en gasjätte som tidigare upptäckts kretsa kring en stjärna med låg massa. Upphovsman: University of Warwick / Mark Garlick.

Vattenvärldar runt röda dvärgsolar.

 

Den senaste tidens utforskning av exoplaneter har nu fokuserats på sökandet efter tempererade steniga planeter som liknar jorden. Planeter där man ser liv som möjligt. De flesta av de senaste sökandena har däremot riktats mot stjärnor som är svalare än solen. Stjärnor är kända som röda dvärgar eller stjärnor av M-typ vilka är vanliga stjärnor och som inte lyser så starkt att en planet är svår att upptäcka då den sveper förbi sin sol.

Det är känt att inte bara måttlig  utan också en tillräcklig mängd havsvatten är nödvändigt för att en planet ska kunna upprätthålla ett tempererat klimat. Tidigare planetbildningsmodeller förutspår dock att förekomsten av planeter som uppfyller sådana förhållanden runt stjärnor av M-typ stjärnor är mycket liten. 

Mycket beroende på att dessa röda stjärnor inte är stabila i sin utstrålning i närområdet det område där en planet måste befinna sig för liv som vi känner det ska trivas. Planeter måste vara relativt nära en liten sol för rätt temperatur och dessa är inte stabila i sin utstrålning utan pulserar ut stark strålning ibland (min anm.).

Nya datasimuleringar utförda av Tadahiro Kimura, doktorand vid University of Tokyo och professor Masahiro Ikoma vid avdelningen för science vid NAOJ har fokuserat på bildandet av en väterik atmosfär i den protoplanetära skivan och vattenproduktionen via reaktionen mellan atmosfären och magmahavet i en nybildad planet. De har med detta utvecklat en ny planetbildningsmodell och därmed förutspått hur mycket havsvatten som exoplaneter som kretsar kring stjärnor av M-typ bör ha. Som ett resultat visar deras uppskattning att flera procent av planeterna med jordliknande radier och solinstrålning från M-planeter har måttliga mängder havsvatten.

Detta tyder på att upptäckten av planeter med tempererade klimat  kan finnas men kanske inte av livsvänligt format just vid röda dvärgar. Vattenvärldar bör annars vara vanliga därute troligen mer än sådana planeter som jorden vid andra solar solar som vår ex som är relativt lugn. Forskningsresultaten har publicerats i Nature Astronomy den 29 september 2022, GMT.

Bild vikipedia av en konstnärs illustration av en hypotetisk havsplanet med två månar.