En sammansättningslänk mellan planeter och deras respektive värdstjärnor har länge antagits inom astronomi. För första gången nu, ett team av forskare levererar empiriska bevis för att stödja antagandet – och delvis motsäga det samtidigt.

Stjärnor och planeter bildas av samma kosmiska gas och stoft. Under bildningsprocessen, en del av materialet kondenserar och bildar steniga planeter, resten ackumuleras antingen av stjärnan eller blir en del av gasformiga planeter. Antagandet om ett samband mellan sammansättningen av stjärnor och deras planeter är därför rimligt och bekräftas, till exempel, i solsystemet av de flesta stenplaneter (Mercurius är undantaget). Ändå, antaganden, speciellt inom astrofysik, inte alltid visa sig vara sant. En studie ledd av Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) i Portugal, som också involverar forskare från NCCR PlanetS vid universitetet i Bern och universitetet i Zürich, publiceras idag i tidskriften Vetenskap , ger det första empiriska beviset för detta antagande – och motsäger det samtidigt delvis.

Kondenserad stjärna vs stenig planet

För att avgöra om sammansättningen av stjärnor och deras planeter är relaterade, teamet jämförde mycket exakta mätningar av båda. För stjärnorna, deras utsända ljus mättes, som bär det karakteristiska spektroskopiska fingeravtrycket för deras sammansättning. Sammansättningen av de steniga planeterna bestämdes indirekt:Deras densitet och sammansättning härleddes från deras uppmätta massa och radie. Först nyligen har tillräckligt många planeter mätts så exakt att meningsfulla undersökningar av detta slag är möjliga.

"Men eftersom stjärnor och steniga planeter är helt olika till sin natur, jämförelsen av deras sammansättning är inte okomplicerad, " som Christoph Mordasini, medförfattare till studien, lektor i astrofysik vid universitetet i Bern och medlem av NCCR PlanetS börjar förklara. "Istället, vi jämförde planeternas sammansättning med en teoretisk, nedkyld version av deras stjärna. Medan det mesta av stjärnans material - främst väte och helium - förblir som en gas när den svalnar, en liten del kondenserar, som består av stenbildande material som järn och silikat, " förklarar Christoph Mordasini.

Vid universitetet i Bern, "Bern Model of Planet Formation and Evolution" har kontinuerligt utvecklats sedan 2003 (se infobox). Christoph Mordasini säger att "insikter i de mångfaldiga processerna som är involverade i bildningen och utvecklingen av planeter är integrerade i modellen." Med hjälp av denna Bern-modell kunde forskarna beräkna sammansättningen av detta stenbildande material i den nedkylda stjärnan. "Vi jämförde sedan det med stenplaneterna, " säger Christoph Mordasini.

Indikationer på planeternas beboelighet

"Våra resultat visar att våra antaganden om stjärn- och planetsammansättningar inte var fundamentalt felaktiga:sammansättningen av steniga planeter är verkligen intimt knuten till sammansättningen av deras värdstjärna. Men, förhållandet är inte så enkelt som vi förväntat oss, " huvudförfattare till studien och forskare vid IA, Vardan Adibekyan, säger. Vad forskarna förväntade sig, var att stjärnans överflöd av dessa element sätter den övre möjliga gränsen. "Ändå för vissa av planeterna, järnöverflödet i planeten är ännu högre än i stjärnan" som Caroline Dorn, som var medförfattare till studien och är medlem av NCCR PlanetS samt Ambizione Fellow vid universitetet i Zürich, förklarar. "Detta kan bero på enorma effekter på dessa planeter som bryter av en del av de yttre, lättare material, medan den täta järnkärnan finns kvar, " enligt forskaren. Resultaten kan därför ge forskarna ledtrådar om planeternas historia.

"Resultaten av denna studie är också mycket användbara för att begränsa planetariska sammansättningar som antas baserat på den beräknade densiteten från mass- och radiemätningar, ", förklarar Christoph Mordasini. "Eftersom mer än en komposition kan passa en viss densitet, resultaten av vår studie säger oss att vi kan begränsa potentiella sammansättningar, baserat på värdstjärnans komposition, " säger Mordasini. Och eftersom den exakta sammansättningen av en planet påverkar, till exempel, hur mycket radioaktivt material det innehåller eller hur starkt dess magnetfält är, det kan avgöra om planeten är livsvänlig eller inte.

"Bern modell av planetbildning och evolution"

Uttalanden kan göras om hur en planet bildades och hur den har utvecklats med hjälp av "Bern Model of Planet Formation and Evolution." Bernmodellen har kontinuerligt utvecklats vid universitetet i Bern sedan 2003. Insikter i de mångfaldiga processer som är involverade i bildningen och utvecklingen av planeter är integrerade i modellen. Dessa är, till exempel, undermodeller av ackretion (tillväxt av en planets kärna) eller av hur planeter interagerar gravitationsmässigt och påverkar varandra, och av processer i de protoplanetära skivorna där planeter bildas. Modellen används också för att skapa så kallade befolkningssynteser, som visar vilka planeter som utvecklas hur ofta under vissa förhållanden i en protoplanetarisk skiva.