När planeter bildas i den virvlande gasen och dammet runt unga stjärnor, det verkar finnas en söt plats där de flesta av de stora, Jupiterliknande gasjättar samlas, centrerad kring omloppsbanan där Jupiter idag sitter i vårt eget solsystem.

Platsen för denna söta punkt är mellan 3 och 10 gånger avståndet som jorden sitter från vår sol (3-10 astronomiska enheter, eller AU). Jupiter är 5,2 AU från vår sol.

Det är bara en av slutsatserna av en aldrig tidigare skådad analys av 300 stjärnor som fångats av Gemini Planet Imager, eller GPI, en känslig infraröd detektor monterad på det 8-meters teleskopet Gemini South i Chile.

GPI Exoplanet Survey, eller GPIES, är ett av två stora projekt som söker efter exoplaneter direkt, genom att blockera stjärnors ljus och fotografera själva planeterna, istället för att leta efter kontrollanta vinglar i stjärnan – metoden med radiell hastighet – eller efter planeter som korsar framför stjärnan – transittekniken. GPI-kameran är känslig för värmen som avges av nyligen bildade planeter och bruna dvärgar, som är mer massiva än gasjätteplaneter, men fortfarande för liten för att antända fusion och bli stjärnor.

Analysen av de första 300 av mer än 500 stjärnor undersökta av GPIES, publicerad 12 juni i The Astronomical Journal , "är en milstolpe, sa Eugene Chiang, en UC Berkeley professor i astronomi och medlem i samarbetets teorigrupp. "Vi har nu utmärkt statistik för hur ofta planeter förekommer, deras massfördelning och hur långt de är från sina stjärnor. Det är den mest omfattande analys jag har sett inom detta område."

Studien kompletterar tidigare exoplanetundersökningar genom att räkna planeter mellan 10 och 100 AU, ett område där Kepler Space Telescope transitundersökning och observationer av radiell hastighet sannolikt inte kommer att upptäcka planeter. Det leddes av Eric Nielsen, en forskare vid Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology vid Stanford University, och involverade mer än 100 forskare vid 40 institutioner över hela världen, inklusive University of California, Berkeley.

En ny planet, en ny brun dvärg

Sedan GPIES-undersökningen startade för fem år sedan, teamet har avbildat sex planeter och tre bruna dvärgar som kretsar kring dessa 300 stjärnor. Teamet uppskattar att cirka 9 procent av massiva stjärnor har gasjättar mellan 5 och 13 Jupitermassor bortom ett avstånd på 10 AU, och färre än 1 procent har bruna dvärgar mellan 10 och 100 AU.

Den nya datamängden ger viktig insikt i hur och var massiva objekt bildas inom planetsystem.

"När du går ut från den centrala stjärnan, jätteplaneter blir vanligare. Cirka 3 till 10 AU, förekomstfrekvensen toppar, ", sa Chiang. "Vi vet att det toppar eftersom Kepler- och radiella hastighetsundersökningar finner en ökning av hastigheten, går från heta Jupiters mycket nära stjärnan till Jupiters på några AU från stjärnan. GPI har fyllt i den andra änden, går från 10 till 100 AU, och finna att förekomstfrekvensen sjunker; jätteplaneterna finns oftare vid 10 än 100. Om du kombinerar allt, det finns en söt plats för förekomst av en jätteplanet runt 3 till 10 AU."

"Med framtida observatorier, särskilt Thirty-Meter Telescope och ambitiösa rymdbaserade uppdrag, vi kommer att börja avbilda planeterna som bor i den söta platsen för solliknande stjärnor, " sa teammedlemmen Paul Kalas, en UC Berkeley adjungerad professor i astronomi.

Exoplanetundersökningen upptäckte bara en tidigare okänd planet - 51 Eridani b, nästan tre gånger massan av Jupiter – och en tidigare okänd brun dvärg – HR 2562 B, väger in på cirka 26 Jupitermassor. Ingen av de gigantiska planeterna som avbildades var runt solliknande stjärnor. Istället, gigantiska gasplaneter upptäcktes bara runt mer massiva stjärnor, minst 50 procent större än vår sol, eller 1,5 solmassor.

"Med tanke på vad vi och andra undersökningar har sett hittills, vårt solsystem ser inte ut som andra solsystem, sa Bruce Macintosh, huvudforskaren för GPI och professor i fysik vid Stanford. "Vi har inte så många planeter inpackade så nära solen som de har sina stjärnor och vi har nu preliminära bevis för att ett annat sätt på vilket vi kan vara sällsynta är att ha den här typen av planeter från Jupiter och uppåt."

"Det faktum att jätteplaneter är vanligare runt stjärnor som är mer massiva än solliknande stjärnor är ett intressant pussel, " sa Chiang.

Eftersom många stjärnor som syns på natthimlen är stora unga stjärnor som kallas A-stjärnor, detta betyder att "stjärnorna du kan se på natthimlen med ditt öga är mer benägna att ha planeter med Jupitermassa runt sig än de svagare stjärnorna som du behöver ett teleskop för att se, " sa Kalas. "Det är ganska coolt."

Analysen visar också att gasjätteplaneter och bruna dvärgar, medan den till synes på ett kontinuum av ökande massa, kan vara två distinkta populationer som bildades på olika sätt. gasjättarna, upp till cirka 13 gånger Jupiters massa, tycks ha bildats genom ansamling av gas och damm på mindre föremål - nerifrån och upp. Bruna dvärgar, mellan 13 och 80 Jupitermassor, formade som stjärnor, genom gravitationskollaps – uppifrån och ner – inom samma moln av gas och damm som gav upphov till stjärnorna.

"Jag tror att detta är det tydligaste beviset vi har för att dessa två grupper av föremål, planeter och bruna dvärgar, bildas annorlunda, " sa Chiang. "De är verkligen äpplen och apelsiner."

Direkt bildbehandling är framtiden

Gemini Planet Imager kan skarpt avbilda planeter runt avlägsna stjärnor, tack vare extrem adaptiv optik, som snabbt upptäcker turbulens i atmosfären och minskar suddighet genom att justera formen på en flexibel spegel. Instrumentet känner av värmen från kroppar som fortfarande glöder från sin egen inre energi, exoplaneter som är stora, mellan 2 och 13 gånger Jupiters massa, och ung, mindre än 100 miljoner år gammal, jämfört med vår sols ålder på 4,6 miljarder år. Även om det blockerar det mesta av ljuset från den centrala stjärnan, bländningen begränsar fortfarande GPI till att bara se planeter och bruna dvärgar långt från stjärnorna de kretsar kring, mellan cirka 10 och 100 AU.

Teamet planerar att analysera data om de återstående stjärnorna i undersökningen, hoppas på större insikt om de vanligaste typerna och storlekarna av planeter och bruna dvärgar.

Chiang noterade att framgången med GPIES visar att direkt avbildning kommer att bli allt viktigare i studiet av exoplaneter, speciellt för att förstå deras bildning.

"Direkt avbildning är det bästa sättet att nå unga planeter, " sa han. "När unga planeter bildas, deras unga stjärnor är för aktiva, för nervös, för att radiella hastigheter eller transitmetoder ska fungera enkelt. But with direct imaging, seeing is believing."