En konstnärs idé om en ung stjärna omringad av planeter och ringar av damm som uppstår när de nybildas, steniga planeter kolliderar med varandra. En ny studie som presenterades vid den 238:e American Astronomical Society-konferensen beskriver en ny metod för att kvantifiera sambandet mellan en stjärnas kemiska sammansättning och planetbildning, arbete som kan hjälpa forskare att identifiera enskilda stjärnor som har en högre sannolikhet att vara värd för planeter. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Forskare från Penns institution för fysik och astronomi har utvecklat en ny metod för att bättre förstå sambandet mellan en stjärnas kemiska sammansättning och planetbildning. Studien leddes av nyutexaminerade Jacob Nibauer för hans senioravhandling med Bhuvnesh Jain och handleddes av tidigare Penn postdoc Eric Baxter. Forskarna fann att majoriteten av stjärnorna i deras datauppsättning liknar solens sammansättning, något i strid med tidigare arbete och antyder att många stjärnor i Vintergatan kan vara värd för sina egna jordliknande planeter. Dessa resultat presenterades vid den 238:e American Astronomical Society-konferensen och publicerades också i Astrofysisk tidskrift .
Den vanligaste tekniken för att hitta exoplaneter, sådana som finns utanför solsystemet, involverar transiteringsmetoden, när en exoplanet rör sig mellan sin stjärna och observatören och orsakar en dipp i stjärnans ljusstyrka. Medan de flesta av de kända exoplaneterna har upptäckts med denna metod, detta tillvägagångssätt är begränsat eftersom exoplaneter bara kan upptäckas när deras omloppsbana och observatören är perfekt i linje och har tillräckligt korta omloppsperioder. Den näst mest kraftfulla tekniken, den radiella hastigheten eller dopplermetoden, har andra begränsningar i sin förmåga att hitta planeter.
Detta väcker frågan, Om planeter inte kan upptäckas runt en stjärna, kan man sluta sig till deras existens genom att studera värdstjärnan? Forskarna fann att svaret på denna fråga är ett kvalificerat ja, med nya metoder som hjälper astronomer att bättre förstå hur bildandet av exoplaneter är relaterat till sammansättningen av stjärnan de kretsar kring.
"Tanken är att planeter och stjärnor föds ur samma födelsemoln, så du kan föreställa dig ett scenario där en stenig planet låser sig vid tillräckligt med material för att lämna den sena stjärnytan utarmad i dessa element, " säger Nibauer. "Målet är att svara på om planetvärdar stjärnor ser annorlunda ut än stjärnor utan planeter, och ett sätt att göra det är att söka efter signaturer för planetbildning i stjärnytans sammansättning. Lyckligtvis, sammansättningen av en stjärna, åtminstone av dess yttre lager, kan härledas från dess spektrum, fördelningen av ljusintensitet över olika frekvenser."
Att göra detta, forskarna använde data från Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE-2), med fokus på 1, 500 Vintergatans galaxstjärnor med kemisk sammansättningsdata för fem olika grundämnen. Nibauers nya bidrag var att tillämpa Bayesiansk statistik för att mäta mängden av fem stenbildande, eller "eldfast, "element och objektivt separerade populationer av stjärnor baserat på deras kemiska sammansättning.
En projektion av data från APOGEE, med orange punkter som indikerar stjärnor som används i denna analys (överst) och överflödsförhållandena för en undergrupp av kemiska grundämnen i förhållande till järn i populationen av solliknande stjärnor (nederst). Kredit:Jacob Nibauer
Nibauers metod tillåter forskare att titta på stjärnor med låga signal-brus-förhållanden, eller där mätbakgrunden kan vara större än stjärnans egen signal. "Detta ramverk, istället för att fokusera på stjärna för stjärna, kombinerar mätningar över hela befolkningen så att vi kan karakterisera den globala fördelningen av kemiska förekomster, " säger Nibauer. "På grund av det, vi kan inkludera mycket större populationer av stjärnor jämfört med tidigare studier."
Forskarna fann att deras datauppsättning prydligt separerade stjärnor i två populationer. Uttömda stjärnor, som utgör majoriteten av urvalet, saknar eldfasta element jämfört med den icke-utarmade populationen. Detta kan tyda på att det saknade eldfasta materialet i den utarmade befolkningen är inlåst i steniga planeter. Dessa resultat överensstämmer med andra mindre, riktade studier av stjärnor som använder mer exakta kemiska sammansättningsmätningar. Dock, tolkningen av dessa resultat skiljer sig från tidigare studier genom att solen verkar tillhöra en population som utgör majoriteten av urvalet.
"Tidigare studier var solcentrerade, så stjärnor är antingen som solen eller inte, men Jake utvecklade en metod för att gruppera liknande stjärnor utan att referera till solen, " säger Jain. "Detta är första gången som en metod som 'lät data tala' hade hittat två populationer, och vi kunde sedan placera solen i en av dessa grupper, som visade sig vara den utarmade gruppen."
Denna studie ger också en lovande väg att identifiera enskilda stjärnor som kan ha en högre sannolikhet att vara värd för sina egna planeter, säger Nibauer. "Det långsiktiga målet är att identifiera stora populationer av exoplaneter, och varje teknik som kan sätta en sannolikhetsbegränsning på huruvida en stjärna sannolikt är en planetvärd utan att behöva förlita sig på den vanliga transitmetoden är mycket värdefull, " han säger.
Och om Vintergatans stjärnor är utarmade är normen, detta kan betyda att majoriteten av dessa stjärnor kan kretsas runt av jordliknande planeter, öppnar upp för möjligheten att stjärnor som "saknar" tyngre element helt enkelt har dem inlåsta i kretsande steniga exoplaneter, även om andra möjliga kopplingar till exoplaneter också undersöks. "Detta skulle vara spännande om det bekräftas av framtida analyser av större datamängder, säger Jain.
