Astronomer med Sloan Digital Sky Survey (SDSS) har lärt sig att den kemiska sammansättningen av en stjärna kan utöva oväntat inflytande på dess planetsystem - en upptäckt som möjliggjorts av en pågående SDSS-undersökning av stjärnor som setts av NASA:s rymdfarkost Kepler, och en som lovar att utöka vår förståelse av hur extrasolära planeter bildas och utvecklas.

"Utan dessa detaljerade och exakta mätningar av järnhalten i stjärnor, vi kunde aldrig ha gjort den här mätningen, säger Robert Wilson, en doktorand i astronomi vid University of Virginia och huvudförfattare till tidningen som tillkännager resultaten.

Teamet presenterade sina resultat idag vid American Astronomical Society (AAS) möte i National Harbor, Maryland. Använda SDSS-data, de fann att stjärnor med högre koncentrationer av järn tenderar att vara värd för planeter som kretsar ganska nära sin värdstjärna – ofta med omloppsperioder på mindre än cirka åtta dagar – medan stjärnor med mindre järn tenderar att vara värd för planeter med längre perioder som är längre bort från deras värdstjärna. Ytterligare undersökning av denna effekt kan hjälpa oss att förstå hela variationen av extrasolära planetsystem i vår galax, och belysa varför planeter finns där de finns.

Berättelsen om planeter runt solliknande stjärnor började 1995, när ett team av astronomer upptäckte en enda planet som kretsade runt en solliknande stjärna 50 ljusår från jorden. Upptäcktstakten ökade under 2009, när NASA lanserade rymdfarkosten Kepler, ett rymdteleskop designat för att leta efter extrasolära planeter. Under sitt fyraåriga primära uppdrag, Kepler övervakade tusentals stjärnor åt gången, tittar på den lilla nedtoningen av stjärnljuset som indikerar att en planet passerar framför sin värdstjärna. Och eftersom Kepler tittade på samma stjärnor i flera år, den såg deras planeter om och om igen, och kunde därmed mäta den tid det tar för planeten att kretsa runt sin stjärna. Denna information avslöjar avståndet till från stjärna till planet, med närmare planeter som kretsar snabbare än längre bort. Tack vare Keplers outtröttliga övervakning, antalet exoplaneter med kända omloppsperioder ökade dramatiskt, från cirka 400 2009 till fler än 3, 000 idag.

Även om Kepler var perfekt designad för att upptäcka extrasolära planeter, den var inte utformad för att lära sig om den kemiska sammansättningen av stjärnorna runt vilka dessa planeter kretsar. Den kunskapen kommer från SDSS:s Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE), som har studerat hundratusentals stjärnor över hela Vintergatans galax. APOGEE fungerar genom att samla ett spektrum för varje stjärna – ett mått på hur mycket ljus stjärnan avger vid olika våglängder (färger) av ljus. Eftersom atomer av varje kemiskt element interagerar med ljus på sitt eget karaktäristiska sätt, ett spektrum gör det möjligt för astronomer att inte bara bestämma vilka grundämnen en stjärna innehåller, men också hur mycket — för alla element inklusive nyckelelementet järn.

"Alla solliknande stjärnor är mestadels väte, men vissa innehåller mer järn än andra, " säger Johanna Teske från Carnegie Institution for Science, en medlem av forskargruppen. "Mängden järn en stjärna innehåller är en viktig ledtråd till hur den bildades och hur den kommer att utvecklas under sin livstid."

Genom att kombinera data från dessa två källor – planetbanor från Kepler och stjärnkemi från APOGEE – har astronomer lärt sig om sambanden mellan dessa "järnberikade" stjärnor och de planetsystem de har.

"Vi visste att elementberikningen av en stjärna skulle ha betydelse för dess egen utveckling, säger Teske, "Men vi blev förvånade över att höra att det också har betydelse för utvecklingen av dess planetsystem."

Det arbete som presenteras idag bygger på tidigare arbete, ledd av Gijs Mulders från University of Arizona, med hjälp av ett större men mindre exakt urval av spektra från LAMOST-Kepler-projektet. (LAMOST, det stora flerobjekts fiberspektroskopiska teleskopet, är en kinesisk himmelundersökning.) Mulders och medarbetare fann en liknande trend – närmare planeter som kretsar runt mer järnrika stjärnor – men fastställde inte den kritiska perioden på åtta dagar.

"Det är uppmuntrande att se en oberoende bekräftelse av trenden vi fann 2016, ", säger Mulders. "Identifieringen av den kritiska perioden visar verkligen att Kepler är gåvan som fortsätter att ge."

Det som är särskilt överraskande med det nya resultatet, Wilson förklarade, är att de järnberikade stjärnorna bara har cirka 25 procent mer järn än de andra i provet. "Det är som att lägga till fem åttondelar av en tesked salt i ett cupcake-recept som kräver en halv tesked salt, bland alla dess övriga ingredienser. Jag skulle fortfarande äta den där cupcaken, ", säger han. "Det visar oss verkligen hur även små skillnader i stjärnsammansättning kan ha djupgående effekter på planetsystem."

Men även med denna nya upptäckt, astronomer har många obesvarade frågor om hur extrasolära planeter bildas och utvecklas, speciellt planeter jordstora eller något större ("superjordar"). Bildar järnrika stjärnor i sig planeter med kortare banor? Eller är det mer sannolikt att planeter som kretsar kring järnrika stjärnor bildas längre ut och sedan migrerar till en kortare period, närmare banor? Wilson och medarbetare hoppas kunna arbeta med andra astronomer för att skapa nya modeller av protoplanetära skivor för att testa båda dessa förklaringar.

"Jag är glad över att vi fortfarande har mycket att lära om hur stjärnornas kemiska sammansättning påverkar deras planeter, särskilt om hur små planeter bildas, " säger Teske. "Dessutom, APOGEE ger många fler fantastiska kemiska överflöd förutom järn, så det finns sannolikt andra trender begravda i denna rika datauppsättning som vi ännu inte har utforskat."