En internationell grupp av astronomer, ledd av Martin Schlecker från Max Planck Institute for Astronomy, har funnit att arrangemanget av stenig, gasformiga och isiga planeter i planetsystem är tydligen inte slumpmässigt och beror endast på ett fåtal initiala förhållanden. Studien, som kommer att visas i den vetenskapliga tidskriften Astronomi &Astrofysik , bygger på en ny simulering som spårar utvecklingen av planetsystem under flera miljarder år. Planetsystem runt solliknande stjärnor, som producerar i sina inre regioner superjordar med lågt vatten- och gasinnehåll, bildar mycket ofta en planet jämförbar med vår Jupiter på en yttre bana. Sådana planeter hjälper till att hålla potentiellt farliga föremål borta från de inre regionerna.

Forskare misstänker att planeten Jupiter spelade en viktig roll i utvecklingen av livet på jorden, eftersom dess gravitation ofta avleder potentiellt farliga asteroider och kometer på deras banor till zonen av steniga planeter på ett sätt som minskar antalet katastrofala kollisioner. Denna omständighet väcker därför upprepade gånger frågan om en sådan kombination av planeter är ganska slumpmässig, eller om det är ett vanligt resultat av bildandet av planetsystem.

Torra superjordar och kalla Jupiters

Forskare från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, universitetet i Bern och universitetet i Arizona har nu hittat starka bevis för att steniga planeter som liknar jorden förekommer påfallande ofta tillsammans med en Jupiterliknande planet som befinner sig i en bred omloppsbana.

"Vi kallar sådana gasjättar för kalla Jupiters. De växer på avstånd från centralstjärnan, där vatten finns i form av is, " förklarar Martin Schlecker, doktorand vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, som ledde studien. De jordliknande planeterna som studeras är så kallade torra superjordar, dvs. steniga planeter större och mer massiva än jorden, som bara har en tunn atmosfär och knappt något vatten eller is. De befolkar det inre, dvs. tempererad zon av planetsystemen och är mycket lika jorden förutom deras storlek. "Också, jorden är, trots de enorma haven och polarområdena, med en volymfraktion för vatten på endast 0,12% totalt en torr planet, " påpekar Schlecker.

Att hitta en kall Jupiter tillsammans med en isrik superjord i det inre området är därför nästan omöjligt. Vidare, tät, förlängda gashöljen finns främst i massiva superjordar.

Simuleringar ger insikter i processer som är svåra att mäta

Dessa slutsatser är baserade på en statistisk utvärdering av nya simuleringar av 1000 planetsystem som utvecklas i en protoplanetarisk skiva runt en solliknande stjärna. Dessa simuleringar är den senaste bedriften i ett mångårigt samarbete mellan universitetet i Bern och MPIA för att studera planeternas ursprung ur ett teoretiskt perspektiv. Med utgångspunkt från slumpmässiga initiala förhållanden, t.ex., för massorna av gas och fast material, storleken på skivan och positionerna för fröcellerna på nya planeter, forskarna spårade livscykeln för dessa system under flera miljarder år. "Under simuleringarna, planetembryona samlade material, växte till planeter, ändrade sina banor, kolliderade eller kastades ut från systemet, " Christoph Mordasini från universitetet i Bern och medförfattare till forskningsartikeln beskriver de simulerade processerna. De simulerade planetsystemen hade så småningom planeter av olika storlekar, massor och sammansättningar på olika banor runt den centrala stjärnan.

Hubert Klahr, chef för arbetsgruppen för teorin om planetbildning vid MPIA, förklarar:"Sådana simuleringar stödjer undersökningen av exoplanetära system, eftersom planeter som kalla Jupiters kräver mycket tid för att kretsa om sin moderstjärna på sina breda banor." Detta gör det svårt att hitta dem genom observation, så sökandet efter exoplaneter återspeglar inte realistiskt den faktiska sammansättningen av planetsystem. Astronomer är mer benägna att hitta planeter med hög massa i nära omloppsbanor runt stjärnor med låg massa. "Simuleringar, å andra sidan, är i princip oberoende av sådana begränsningar, ", tillägger Klahr.

Observationer och simuleringar stämmer inte överens

"Vi ville verifiera ett överraskande fynd efter observationer som gjorts de senaste åren att planetsystem med en kall Jupiter nästan alltid innehåller en superjord, " säger Schlecker. Omvänt, cirka 30 % av alla planetsystem där superjordar bildas verkar också ha en kall Jupiter. Det skulle vara rimligt att förvänta sig att massiva planeter är mer benägna att störa planetsystem under deras bildning på ett sådant sätt att bildningen av andra planeter hindras. Dock, dessa kalla Jupiters verkar vara tillräckligt långt borta från det inre, så att deras inflytande på utvecklingen synes vara ganska litet.

Dock, utvärderingen av de simulerade planetsystemen kunde inte bekräfta denna trend. Endast en tredjedel av alla kalla Jupiters åtföljdes av minst en superjord. Vidare, astronomer hittade en kall Jupiter i endast 10 % av alla syntetiska planetsystem med superjordar. Således, simuleringarna visar att både superjordar och kalla Jupiters är bara något mer sannolikt att förekomma tillsammans i ett planetsystem än om de uppträdde ensamma. Forskarna tillskriver detta resultat flera skäl.

En förklaring har att göra med den hastighet med vilken gasplaneter gradvis migrerar inåt. Planetbildningsteorin verkar förutsäga högre hastigheter än vad som observerats, vilket leder till en ökad ackumulering av gasjättar på banor med mellanavstånd. I simuleringarna, dessa "varma Jupiters" stör de inre banorna och gör att fler superjordar stöts ut eller till och med kolliderar i gigantiska kollisioner. Med en något lägre tendens hos de simulerade gasplaneterna att migrera, mer av superjordarna skulle finnas kvar, vilket skulle vara mer förenligt med observationerna.

Simuleringar förutsäger framtida upptäckter

Nu, observationerna skiljer bara grovt mellan olika typer av superjordar, eftersom deras exakta karakterisering skulle kräva exakta mätningar som knappast är möjliga med dagens instrument. I simuleringarna av Bern-Heidelberg-gruppen, dock, detta uppnås genom att spåra en planets väg inom den protoplanetära skivan och dess möten med andra planeter. "Vi hittade ett betydande överskott av planetsystem som innehöll både en kall Jupiter och minst en torr superjord, dvs. med lite vatten eller is, och en tunn atmosfär som mest, " konstaterar Schlecker. En jämförelse med observationsdata är svår, på grund av de cirka 3200 planetsystem som hittills är kända, endast 24 har visat sig vara jämförbara med en sådan konstellation. Ändå, de tillgängliga resultaten stämmer väl överens. Å andra sidan, det finns knappast några planetsystem där superjordar med en hög andel is och en kall Jupiter existerar samtidigt.

Baserat på dessa fynd, astronomerna i denna studie har utvecklat ett scenario som kan förklara bildandet av dessa helt olika typer av planetsystem. Som simuleringarna visar, den slutliga konstellationen bestäms huvudsakligen av massan av den protoplanetära skivan, dvs. mängden tillgängligt material för ansamling av planeter.

I skivor med medelmassa finns det inte tillräckligt med material i det inre, varm region för att producera superjordar. På samma gång, mängden är också för liten i de yttre delarna bortom snögränsen, där vatten finns i frusen form och andelen isbitar är ganska stor, att bilda massiva planeter som Jupiter. Istället, materialet där kondenseras till superjordar med en hög andel is med ett eventuellt förlängt gashölje. Dessa superjordar vandrar gradvis inåt. I kontrast, det finns tillräckligt med material i massiva skivor för att bilda både jordliknande stenplaneter på måttliga avstånd från den centrala stjärnan och kalla jätteplaneter bortom snögränsen. Dessa steniga planeter är fattiga på is och gas. Utanför den kalla Jupiters omloppsbana, isrika superjordar kan bildas, men deras migration i radiell riktning begränsas av inflytandet från jätteplaneten. Därför, de kan inte komma in i det inre, varm zon.

Att verifiera förutsägelsen är endast möjligt om några år

Dock, it will only be possible to verify this concept with powerful telescopes such as the Extremely Large Telescope (ELT) of the European Southern Observatory or the James Webb Space Telescope (JWST). Both are expected to be operational within this decade. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

I princip, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Så, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Dock, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Av denna anledning, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.