Exoplaneten med 11 Jupiter som kallas HD 106906 b, visas i denna konstnärs illustration, upptar en osannolik bana runt en dubbelstjärna 336 ljusår bort. Det kan ge ledtrådar till något som kan vara mycket närmare hemmet:en hypotes avlägsen medlem av vårt solsystem kallad "Planet Nine". Detta är första gången som astronomer har kunnat mäta rörelsen hos en massiv Jupiterliknande planet som kretsar mycket långt bort från sina värdstjärnor och synliga skräpskivor. Kredit:NASA, ESA, och M. Kornmesser (ESA/Hubble)
En planet i en osannolik bana runt en dubbelstjärna 336 ljusår bort kan ge en ledtråd till ett mysterium mycket närmare hemmet:En hypotes, avlägsen kropp i vårt solsystem kallad "Planet Nine".
Detta är första gången som astronomer har kunnat mäta rörelsen hos en massiv Jupiterliknande planet som kretsar mycket långt bort från sina värdstjärnor och synliga skräpskivor. Denna skiva liknar vårt Kuiperbälte av små, isiga kroppar bortom Neptunus. I vårt eget solsystem, den misstänkta planeten nio skulle också ligga långt utanför Kuiperbältet på en liknande konstig bana. Även om sökandet efter en planet nio fortsätter, denna exoplanetupptäckt är bevis på att sådana udda banor är möjliga.
"Detta system gör en potentiellt unik jämförelse med vårt solsystem, " förklarade tidningens huvudförfattare, Meiji Nguyen vid University of California, Berkeley. "Den är väldigt brett separerad från sina värdstjärnor på en excentrisk och mycket felinriktad bana, precis som förutsägelsen för Planet Nine. Detta väcker frågan om hur dessa planeter bildades och utvecklades för att hamna i sin nuvarande konfiguration."
Systemet där denna gasjätte finns är bara 15 miljoner år gammalt. Detta tyder på att vår planet nio – om den existerar – kunde ha bildats mycket tidigt i utvecklingen av vårt 4,6 miljarder år gamla solsystem.
En extrem omloppsbana
Exoplaneten HD 106906 b med 11 Jupiter, upptäcktes 2013 med Magellan-teleskopen vid Las Campanas-observatoriet i Atacamaöknen i Chile. Dock, astronomerna visste ingenting om planetens bana. Detta krävde något som bara rymdteleskopet Hubble kunde göra:Samla in mycket exakta mätningar av vagabondens rörelse under 14 år med extraordinär precision. Teamet använde data från Hubble-arkivet som gav bevis för denna motion.
Exoplaneten bor extremt långt från sitt värdpar av ljusa, unga stjärnor - mer än 730 gånger jordens avstånd från solen, eller nästan 6,8 miljarder miles. Denna breda separation gjorde det enormt utmanande att fastställa de 15, 000 år lång omloppsbana inom en så relativt kort tidsperiod av Hubble-observationer. Planeten kryper mycket långsamt längs sin bana, med tanke på den svaga gravitationskraften hos dess mycket avlägsna moderstjärnor.
Hubble-teamet blev förvånade när de upptäckte att den avlägsna världen har en extrem omloppsbana som är väldigt felinriktad, långsträckt och utanför skräpskivan som omger exoplanetens tvillingvärdstjärnor. Själva skräpskivan ser väldigt ovanligt ut, kanske på grund av den egensinniga planetens gravitationsdragkraft.
Denna bild av Hubble rymdteleskop visar miljön kring dubbelstjärnan HD 106906. Det briljanta ljuset från dessa stjärnor är maskerat här för att tillåta svagare drag i systemet att ses. Stjärnornas cirkumstellära skiva är asymmetrisk och förvrängd, kanske på grund av gravitationsdraget från den egensinniga planeten HD 106906 b, som är i en mycket stor och långsträckt bana. Kredit:NASA, ESA, M. Nguyen (University of California, Berkeley), R. De Rosa (Europeiska sydobservatoriet), och P. Kalas (University of California, Berkeley och SETI Institute)
Hur kom den dit?
Så hur kom exoplaneten fram till en så avlägsen och märkligt lutande omloppsbana? Den rådande teorin är att den bildades mycket närmare sina stjärnor, ungefär tre gånger så långt som jorden är från solen. Men drag i systemets gasskiva fick planetens bana att förfalla, tvingar den att vandra inåt mot sitt stjärnpar. Gravitationseffekterna från de virvlande tvillingstjärnorna sparkade den sedan ut på en excentrisk bana som nästan kastade ut den ur systemet och in i tomrummet i det interstellära rymden. Sedan stabiliserade en passerande stjärna utanför systemet exoplanetens omloppsbana och hindrade den från att lämna sitt hemsystem.
Genom att använda exakta avstånds- och rörelsemätningar från Europeiska rymdorganisationens Gaia-undersökningssatellit, kandidater som passerar stjärnor identifierades 2019 av teammedlemmarna Robert De Rosa från European Southern Observatory i Santiago, Chile, och Paul Kalas från University of California.
En rörig skiva
I en studie publicerad 2015, Kalas ledde ett team som hittade indicier för den skenande planetens beteende:systemets skräpskiva är starkt asymmetrisk, snarare än att vara en cirkulär "pizzapaj"-distribution av material. En sida av skivan är stympad i förhållande till den motsatta sidan, och det är också stört vertikalt snarare än att begränsas till ett smalt plan sett på motsatt sida av stjärnorna.
"Tanken är att varje gång planeten närmar sig dubbelstjärnan, det rör upp materialet i skivan, " förklarar De Rosa. "Så varje gång planeten kommer igenom, den stympar skivan och trycker upp den på ena sidan. Det här scenariot har testats med simuleringar av detta system med planeten på en liknande bana - det här var innan vi visste vad planetens bana var."
"Det är som att komma till platsen för en bilolycka, och du försöker rekonstruera vad som hände, " förklarade Kalas. "Är det passerande stjärnor som stör planeten, då planeten störde skivan? Är det binären i mitten som först störde planeten, och då störde det disken? Eller störde passerande stjärnor både planeten och skivan samtidigt? Detta är astronomidetektivarbete, samlar bevisen vi behöver för att komma med några trovärdiga berättelser om vad som hände här."
Denna bild av Hubble-rymdteleskopet visar en möjlig omloppsbana (streckad ellips) för exoplaneten HD 106906 b med 11 Jupiter. Denna avlägsna värld är vitt åtskild från dess värdstjärnor, vars briljanta ljus är maskerat här för att låta planeten ses. Planeten bor utanför systemets cirkumstellära skräpskiva, som är besläktad med vårt eget Kuiperbälte av små, isiga kroppar bortom Neptunus. Själva skivan är asymmetrisk och förvrängd, kanske på grund av den egensinniga planetens gravitationsdragkraft. Andra ljuspunkter i bilden är bakgrundsstjärnor. Kredit:NASA, ESA, M. Nguyen (University of California, Berkeley), R. De Rosa (Europeiska sydobservatoriet), och P. Kalas (University of California, Berkeley och SETI Institute)
En Planet Nine proxy?
Detta scenario för HD 106906 b:s bisarra bana liknar på vissa sätt det som kan ha fått den hypotetiska planeten nio att hamna i de yttre delarna av vårt eget solsystem, långt bortom de andra planeternas omloppsbana och bortom Kuiperbältet. Planeten nio kunde ha bildats i det inre solsystemet och blivit utsparkad av interaktioner med Jupiter. Dock, Jupiter – den ökända 800-pundsgorillan i vårt solsystem – skulle med stor sannolikhet ha kastat planet nio långt bortom Pluto. Förbipasserande stjärnor kan ha stabiliserat omloppsbanan för den utsparkade planeten genom att skjuta omloppsbanan bort från Jupiter och de andra planeterna i det inre solsystemet.
"Det är som om vi har en tidsmaskin för vårt eget planetsystem som går tillbaka 4,6 miljarder år för att se vad som kan ha hänt när vårt unga solsystem var dynamiskt aktivt och allt drevs runt och omarrangeras, " said Kalas.
Hittills, astronomers only have circumstantial evidence for Planet Nine. They've found a cluster of small celestial bodies beyond Neptune that move in unusual orbits compared with the rest of the solar system. This configuration, some astronomers say, suggests these objects were shepherded together by the gravitational pull of a huge, unseen planet. An alternative theory is that there is not one giant perturbing planet, but instead the imbalance is due to the combined gravitational influence of multiple, much smaller objects. Another theory is that Planet Nine does not exist at all and the clustering of smaller bodies may be just a statistical anomaly.
A target for the Webb Telescope
Scientists using NASA's upcoming James Webb Space Telescope plan to get data on HD 106906 b to understand the planet in detail. "One question you could ask is:Does the planet have its own debris system around it? Does it capture material every time it goes close to the host stars? And you'd be able to measure that with the thermal infrared data from Webb, " said De Rosa. "Also, in terms of helping to understand the orbit, I think Webb would be useful for helping to confirm our result."
Because Webb is sensitive to smaller, Saturn-mass planets, it may be able to detect other exoplanets that have been ejected from this and other inner planetary systems. "With Webb, we can start to look for planets that are both a little bit older and a little bit fainter, " explained Nguyen. The unique sensitivity and imaging capabilities of Webb will open up new possibilities for detecting and studying these unconventional planets and systems.
The team's findings appear in the December 10, 2020, edition of The Astronomical Journal .
