Kärnmassan hos den jättelika exoplaneten WASP-107b är mycket lägre än vad som ansågs nödvändigt för att bygga upp det enorma gashöljet som omger jätteplaneter som Jupiter och Saturnus, astronomer vid Université de Montréal har hittat.

Denna spännande upptäckt av Ph.D. Student Caroline Piaulet vid UdeM:s institut för forskning om exoplaneter (iREx) antyder att gasjätteplaneter bildas mycket lättare än man tidigare trott.

Piaulet är en del av det banbrytande forskarteamet av UdeM astrofysikprofessor Björn Benneke som 2019 tillkännagav den första upptäckten av vatten på en exoplanet belägen i stjärnans beboeliga zon.

Publicerad idag i Astronomisk tidskrift med kollegor i Kanada, USA., Tyskland och Japan, den nya analysen av WASP-107bs interna struktur "har stora konsekvenser, sa Benneke.

"Detta arbete tar upp själva grunden för hur jätteplaneter kan bildas och växa, ", sa han. "Det ger konkreta bevis på att massiv ansamling av ett gashölje kan utlösas för kärnor som är mycket mindre massiva än man tidigare trott."

Lika stor som Jupiter men 10 gånger lättare

WASP-107b upptäcktes först 2017 runt WASP-107, en stjärna cirka 212 ljusår från jorden i stjärnbilden Jungfrun. Planeten är mycket nära sin stjärna - över 16 gånger närmare än jorden är solen. Lika stor som Jupiter men 10 gånger lättare, WASP-107b är en av de minst täta exoplaneterna som är kända:en typ som astrofysiker har kallat "super-puff" eller "bomull-godis"-planeter.

Piaulet och hennes team använde först observationer av WASP-107b som erhållits vid Keck Observatory i Hawaii för att bedöma dess massa mer exakt. De använde den radiella hastighetsmetoden, som gör det möjligt för forskare att bestämma en planets massa genom att observera den vinklade rörelsen hos dess värdstjärna på grund av planetens gravitationskraft. De drog slutsatsen att massan av WASP-107b är ungefär en tiondel av Jupiter, eller ungefär 30 gånger jordens.

Teamet gjorde sedan en analys för att fastställa planetens mest troliga inre struktur. De kom till en överraskande slutsats:med en så låg densitet, planeten måste ha en fast kärna som inte är mer än fyra gånger jordens massa. Detta innebär att mer än 85 procent av dess massa ingår i det tjocka lagret av gas som omger denna kärna. Som jämförelse, Neptunus, som har en massa liknande WASP-107b, har bara 5 till 15 procent av sin totala massa i sitt gasskikt.

"Vi hade många frågor om WASP-107b, " sa Piaulet. "Hur kunde en planet med så låg densitet bildas? Och hur höll den sitt enorma lager av gas från att fly, speciellt med tanke på planetens närhet till sin stjärna?

"Detta motiverade oss att göra en grundlig analys för att fastställa dess bildningshistoria."

En gasjätte i vardande

Planeter bildas i skivan av damm och gas som omger en ung stjärna som kallas en protoplanetär skiva. Klassiska modeller av gasjättens planetbildning är baserade på Jupiter och Saturnus. I dessa, en fast kärna som är minst 10 gånger mer massiv än jorden behövs för att samla en stor mängd gas innan skivan försvinner.

Utan en massiv kärna, gasjätteplaneter ansågs inte kunna passera den kritiska tröskeln som krävs för att bygga upp och behålla sina stora gashöljen.

Hur förklarar man då existensen av WASP-107b, som har en mycket mindre massiv kärna? McGill University professor och iREx-medlem Eve Lee, en världsberömd expert på super-puff-planeter som WASP-107b, har flera hypoteser.

"För WASP-107b, det mest troliga scenariot är att planeten bildades långt borta från stjärnan, där gasen i skivan är tillräckligt kall för att gasansamling kan ske mycket snabbt, " sa hon. "Planeten kunde senare migrera till sin nuvarande position, antingen genom interaktioner med skivan eller med andra planeter i systemet."

Upptäckten av en andra planet, WASP-107c

Keck-observationerna av WASP-107-systemet täcker en mycket längre tidsperiod än tidigare studier har, tillåta det UdeM-ledda forskarteamet att göra ytterligare en upptäckt:existensen av en andra planet, WASP-107c, med en massa på ungefär en tredjedel av Jupiters massa, betydligt mer än WASP-107b:s.

WASP-107c är också mycket längre bort från den centrala stjärnan; det tar tre år att genomföra en bana runt den, jämfört med endast 5,7 dagar för WASP-107b. Också intressant:excentriciteten hos denna andra planet är hög, vilket betyder att dess bana runt stjärnan är mer oval än cirkulär.

"WASP-107c har i vissa avseenden bevarat minnet av vad som hände i sitt system, sade Piaulet. Dess stora excentricitet antyder ett ganska kaotiskt förflutet, med interaktioner mellan planeterna som kunde ha lett till betydande förskjutningar, som den som misstänks för WASP-107b."

Flera frågor

Utöver dess bildningshistoria, there are still many mysteries surrounding WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise:it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant, " said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets, " she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower:a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration, " by Caroline Piaulet et al., was posted today in the  Astronomisk tidskrift .