Astronomer har hittat en ny exoplanet som kan förändra den stående teorin om planetbildning. Med en massa som är mellan Neptunus och Saturnus, och dess läge bortom "snölinjen" för dess värdstjärna, en främmande värld av denna skala var tänkt att vara sällsynt.

Aparna Bhattacharya, en postdoktor från University of Maryland och NASA:s Goddard Space Flight Center (GSFC), ledde teamet som gjorde upptäckten, som tillkännagavs idag under en presskonferens vid det 233:e mötet i American Astronomical Society i Seattle.

Använda den nära-infraröda kameran, andra generationens (NIRC2) instrument på 10-meters Keck II-teleskopet från W. M. Keck Observatory på Maunakea, Hawaii och instrumentet Wide Field Camera 3 (WFC3) på rymdteleskopet Hubble, forskarna tog samtidigt högupplösta bilder av exoplaneten, heter OGLE-2012-BLG-0950Lb, så att de kan bestämma dess massa.

"Vi blev förvånade över att se massan komma ut precis i mitten av det förutspådda mellanliggande gigantiska planetmassagapet, " sa Bhattacharya. "Det är som att hitta en oas mitt i exoplanetöknen!"

"Jag var mycket nöjd med hur snabbt Aparna slutförde analysen, " sa medförfattaren David Bennett, en senior forskare vid University of Maryland och GSFC. "Hon var tvungen att utveckla några nya metoder för att analysera denna data - en typ av analys som aldrig hade gjorts tidigare."

I en kuslig timing av händelser, ett annat team av astronomer (som inkluderade Bhattacharya och Bennett) publicerade en statistisk analys nästan samtidigt som visar att sådana planeter under Saturnus inte är sällsynta trots allt.

"Vi höll precis på att avsluta analysen när massmätningarna av OGLE-2012-BLG-0950Lb kom in, " sa huvudförfattaren Daisuke Suzuki från Japans Institute of Space and Astronautical Science. "Denna planet bekräftade vår tolkning av den statistiska studien."

Lagens resultat på OGLE-2012-BLG-0950Lb publiceras i decembernumret av The Astronomisk tidskrift och den statistiska studien publicerades i numret av den 20 december Astrofysiska tidskriftsbrev .

OGLE-2012-BLG-0950Lb var en av planeterna under Saturnus i den statistiska studien; alla upptäcktes genom mikrolinsning, den enda metoden som för närvarande är känslig nog för att upptäcka planeter med mindre än Saturnus massa i Jupiterliknande banor.

Mikrolinsning utnyttjar en konsekvens av Einsteins allmänna relativitetsteori:böjning och förstoring av ljus nära ett massivt föremål som en stjärna, producerar en naturlig lins på himlen. I fallet med OGLE-2012-BLG-0950Lb, ljuset från en avlägsen bakgrundsstjärna förstorades av OGLE-2012-BLG-0950L (exoplanetens värdstjärna) under loppet av två månader när det passerade nära perfekt inriktning på himlen med bakgrundsstjärnan.

Genom att noggrant analysera ljuset under justeringen, en oväntad nedtoning med en varaktighet på cirka ett dygn observerades, avslöjar närvaron av OGLE-2012-BLG-0950Lb via dess eget inflytande på linsen.

Metodik

OGLE-2012-BLG-0950Lb upptäcktes först av mikrolinsundersökningsteleskopen för Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) och Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) samarbeten.

Bhattacharyas team genomförde sedan uppföljningsobservationer med hjälp av Keck Observatorys kraftfulla adaptiva optiksystem i kombination med NIRC2.

"Keck-observationerna gjorde det möjligt för oss att fastställa att planeten under Saturnus eller super-Neptunus storlek har en massa på 39 gånger jordens, och att dess värdstjärna är 0,58 gånger solens massa, " sade Bennett. "De mätte separationen av planetsystemet i förgrunden från bakgrundsstjärnan. Detta gjorde det möjligt för oss att räkna ut den fullständiga geometrin för mikrolinsningshändelsen. Utan dessa uppgifter, vi kände bara till massförhållandet mellan stjärna och planet, inte de enskilda massorna."

För den statistiska studien, Suzukis team och MOA analyserade egenskaperna hos 30 planeter under Saturnus som hittats genom mikrolinsning och jämförde dem med förutsägelser från kärntillväxtteorin.

Utmanar teorin

Det som är unikt med mikrolinsmetoden är dess känslighet för sub-Saturnus planeter som OGLE-2012-BLG-0950Lb som kretsar utanför "snölinjen" för deras värdstjärnor.

Snögränsen, eller frostlinje, är avståndet i ett ungt solsystem, (a.k.a. en protoplanetarisk skiva) där det är tillräckligt kallt för att vatten ska kunna kondensera till is. Vid och bortom snögränsen sker en dramatisk ökning av mängden fast material som behövs för planetbildning. Enligt kärntillväxtteorin, de fasta ämnena tros byggas upp till planetkärnor först genom kemiska och sedan gravitationsprocesser.

"En nyckelprocess i kärntillväxtteorin kallas "ansamling av rinnande gas, ", sa Bennett. "Jätteplaneter tros starta sin bildningsprocess genom att samla en kärnmassa på cirka 10 gånger jordens massa i sten och is. I detta skede, en långsam ansamling av väte och heliumgas börjar tills massan har fördubblats. Sedan, ansamlingen av väte och helium förväntas påskynda exponentiellt i denna process för rinnande gastillväxt. Denna process avbryts när förråden är slut. Om gastillförseln stoppas innan skenande ansamlingen upphör, vi får "misslyckade Jupiter"-planeter med massor av 10-20 jordmassor (som Neptunus)."

Scenariot för skenande gastillväxt i kärntillväxtteorin förutspår att planeter som OGLE-2012-BLG-0950Lb förväntas vara sällsynta. Med 39 gånger jordens massa, planeter av denna storlek tros fortsätta genom ett skede av snabb tillväxt, slutar på en mycket mer massiv planet. Detta nya resultat tyder på att det skenande tillväxtscenariot kan behöva revideras.

Suzukis team jämförde fördelningen av planet-stjärnans massförhållanden som hittats genom mikrolinsning med fördelningar som förutspåddes av kärntillväxtteorin.

De fann att kärntillväxtteorin's process för rinnande gasaccretion förutsäger cirka 10 gånger färre medelstora jätteplaneter som OGLE-2012-BLG-0950Lb än vad som kan ses i mikrolinsresultaten.

Denna diskrepans innebär att gasjättebildning kan involvera processer som har förbisetts av befintliga kärntillväxtmodeller, eller att den planetbildande miljön varierar avsevärt som en funktion av värdstjärnans massa.

Nästa steg

This discovery has not only called into question an established theory, it was made using a new technique that will be a key part of NASA's next big planet finding mission, the Wide Field Infra-Red Survey Telescope (WFIRST), which is scheduled to launch into orbit in the mid-2020s.

"This is exactly the method that WFIRST will use to measure the masses of the planets that it discovers with its exoplanet microlensing survey. Until WFIRST comes online, we need to develop this method with observations from our Keck Key Strategic Mission Support (KSMS) program as well as observations from Hubble, " said Bennett.

"It's very exciting to see Keck and Hubble combine forces to provide this surprising new result, " said Keck Observatory Chief Scientist John O'Meara. "And it's equally exciting to know that we can make these kind of advances today to help facilitate the best science from WFIRST and Keck's partnership in the future."

The NASA Keck KSMS program will continue to make follow-up observations of microlensing events detected by telescopes on the ground and in space.