Planeten Beta Pictoris b syns kretsar kring sin värdstjärna på denna sammansatta bild från European Southern Observatorys (ESO) 3,6-m-teleskop och NACO-instrumentet på ESO:s 8,2-m Very Large Telescope. Beta Pictoris-systemet är bara cirka 20 miljoner år gammalt, ungefär 225 gånger yngre än solsystemet. Att observera detta dynamiska och snabbt utvecklande system kan hjälpa astronomer att kasta ljus över processerna för planetbildning och tidig evolution. Kredit:ESO/A-M. Lagrange et al.
Massan av en mycket ung exoplanet har avslöjats för första gången med hjälp av data från ESA:s stjärnkartande rymdfarkost Gaia och dess föregångare, den pensionerade Hipparcos-satelliten från kvartstalet.
Astronomerna Ignas Snellen och Anthony Brown från Leiden University, Nederländerna, härledde massan av planeten Beta Pictoris b från värdstjärnans rörelse under en lång tidsperiod som fångats av både Gaia och Hipparcos.
Planeten är en gasjätte som liknar Jupiter men, enligt den nya uppskattningen, är 9 till 13 gånger mer massiv. Den kretsar runt stjärnan Beta Pictoris, den näst ljusaste stjärnan i stjärnbilden Pictor.
Planeten upptäcktes först 2008 på bilder som tagits av Very Large Telescope vid European Southern Observatory i Chile. Både planeten och stjärnan är bara cirka 20 miljoner år gamla – ungefär 225 gånger yngre än solsystemet. Dess låga ålder gör systemet spännande men också svårt att studera med konventionella metoder.
"I Beta Pictoris-systemet, planeten har i princip precis bildats, ", säger Ignas. "Därför kan vi få en bild av hur planeter bildas och hur de beter sig i de tidiga stadierna av sin evolution. Å andra sidan, stjärnan är väldigt varm, roterar snabbt, och det pulserar."
Detta beteende gör det svårt för astronomer att exakt mäta stjärnans radiella hastighet – den hastighet med vilken den ser ut att periodvis röra sig mot och bort från jorden. Små förändringar i en stjärnas radiella hastighet, orsakas av gravitationskraften från planeter i dess närhet, används vanligtvis för att uppskatta massor av exoplaneter. Men denna metod fungerar främst för system som redan har gått igenom de eldiga tidiga stadierna av sin utveckling.
I fallet med Beta Pictoris b, övre gränserna för planetens massområde hade kommit fram till innan man använde metoden för radiell hastighet. För att få en bättre uppskattning, astronomerna använde en annan metod, dra fördel av Hipparcos och Gaias mätningar som avslöjar den exakta positionen och rörelsen för planetens värdstjärna på himlen över tid.
"Stjärnan rör sig av olika anledningar, säger Ignas. Först, stjärnan cirklar runt mitten av Vintergatan, precis som solen gör. Det ser ut från jorden som en linjär rörelse projicerad på himlen. Vi kallar det proper motion. Och så finns det parallaxeffekten, som orsakas av att jorden kretsar runt solen. På grund av detta, Under året, vi ser stjärnan från lite olika vinklar."
Och så finns det något som astronomerna beskriver som "små vinglar" i stjärnans bana över himlen – små avvikelser från den förväntade kursen som orsakas av planetens gravitationskraft i stjärnans bana. Detta är samma wobble som kan mätas via förändringar i den radiella hastigheten, men i en annan riktning - på himlens plan, snarare än längs siktlinjen.
Astronomer kan mäta massan av exoplaneter genom att titta på små avvikelser i banorna för deras värdstjärnor orsakade av gravitationskraften från de kretsande planeterna. Dessa kan observeras antingen längs siktlinjen, letar efter små förändringar i en stjärnas radiella hastighet, eller på himlens plan, med hjälp av astrometriska mätningar. För att kunna göra korrekta bedömningar, de astrometriska observationerna behöver täcka en period på många år. I denna bild, den vita streckade spiralen visar utvecklingen av en stjärnas bana som kan observeras från jorden, orsakas av kombinationen av parallax och korrekt rörelse. Det bruna bandet visar omfånget av avvikelser i stjärnans bana orsakade av en möjlig planet som kretsar runt den. Kredit:European Space Agency
"Vi tittar på avvikelsen från vad du förväntar dig om det inte fanns någon planet och sedan mäter vi planetens massa utifrån betydelsen av denna avvikelse, " säger Anthony. "Ju mer massiv planeten är, desto större avvikelse."
För att kunna göra en sådan bedömning, astronomer måste observera stjärnans bana under en lång tidsperiod för att korrekt förstå den korrekta rörelsen och parallaxeffekten.
Gaia-uppdraget, designad för att observera mer än en miljard stjärnor i vår galax, kommer så småningom att kunna ge information om en stor mängd exoplaneter. Under de 22 månaderna av observationer som ingår i Gaias andra datarelease, publicerades i april, satelliten har spelat in stjärnan Beta Pictoris cirka trettio gånger. Den där, dock, är inte tillräckligt.
"Gaia kommer att hitta tusentals exoplaneter, det är fortfarande på vår att göra-lista, säger Timo Prusti, ESA:s Gaia-projektforskare. "Anledningen till att exoplaneterna kan förväntas först sent i uppdraget är det faktum att för att mäta den lilla vacklan som exoplaneterna orsakar, vi måste spåra stjärnornas position i flera år."
Genom att kombinera Gaia-mätningarna med de från ESA:s Hipparcos-uppdrag, som observerade Beta Pictoris 111 gånger mellan 1990 och 1993, gjorde det möjligt för Ignas och Anthony att få sitt resultat mycket snabbare. Detta ledde till den första framgångsrika uppskattningen av en ung planets massa med hjälp av astrometriska mätningar.
"Genom att kombinera data från Hipparcos och Gaia, som har en tidsskillnad på cirka 25 år, du får en mycket långvarig proper motion, säger Anthony.
"Denna egenrörelse innehåller också den komponent som orsakas av den kretsande planeten. Hipparcos på egen hand skulle inte ha kunnat hitta denna planet eftersom den skulle se ut som en helt normal singelstjärna om vi inte hade mätt den under mycket längre tid.
"Nu, genom att kombinera Gaia och Hipparcos och titta på skillnaden på lång sikt och på kort sikt proper motion, vi kan se planetens effekt på stjärnan."
Resultatet representerar ett viktigt steg mot bättre förståelse av processerna involverade i planetbildning, och förutser de spännande exoplanetupptäckter som kommer att släppas lös av Gaias framtida datasläpp.
"Massan av den unga planeten Beta Pictoris b genom den astrometriska rörelsen av dess värdstjärna, " av I. Snellen och A. Brown publiceras i Natur astronomi , 20 augusti 2018.
