Genom att använda data för mer än 500 unga stjärnor observerade med Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), forskare har avslöjat en direkt koppling mellan protoplanetära skivstrukturer - de planetbildande skivorna som omger stjärnor - och planeternas demografi. Undersökningen visar att stjärnor med högre massa är mer benägna att vara omgivna av skivor med "luckor" i dem och att dessa luckor direkt korrelerar med den höga förekomsten av observerade jätteexoplaneter runt sådana stjärnor. Dessa resultat ger forskare ett fönster tillbaka genom tiden, så att de kan förutsäga hur exoplanetära system såg ut genom varje steg av deras bildning.

"Vi hittade en stark korrelation mellan luckor i protoplanetära skivor och stjärnmassa, som kan kopplas till förekomsten av stora, gasformiga exoplaneter, sa Nienke van der Marel, en Banting-stipendiat vid institutionen för fysik och astronomi vid University of Victoria i British Columbia, och huvudförfattaren till forskningen. "Stjärnor med högre massa har relativt sett fler skivor med mellanrum än stjärnor med lägre massa, överensstämmer med de redan kända korrelationerna i exoplaneter, där stjärnor med högre massa oftare är värd för gasjättens exoplaneter. Dessa korrelationer säger oss direkt att luckor i planetbildande skivor med största sannolikhet orsakas av gigantiska planeter med Neptunus massa och uppåt."

Luckor i protoplanetära skivor har länge ansetts som övergripande bevis på planetbildning. Dock, det har funnits en viss skepsis på grund av det observerade omloppsavståndet mellan exoplaneter och deras stjärnor. "En av de främsta anledningarna till att forskare har varit skeptiska till kopplingen mellan luckor och planeter tidigare är att exoplaneter i breda banor om tiotals astronomiska enheter är sällsynta. exoplaneter i mindre banor, mellan en och tio astronomiska enheter, är mycket vanligare, sa Gijs Mulders, biträdande professor i astronomi vid Universidad Adolfo Ibáñez i Santiago, Chile, och medförfattare till forskningen. "Vi tror att planeter som rensar luckorna kommer att migrera inåt senare."

Den nya studien är den första som visar att antalet gapade skivor i dessa regioner matchar antalet gigantiska exoplaneter i ett stjärnsystem. "Tidigare studier indikerade att det fanns många fler gapade skivor än detekterade gigantiska exoplaneter, " sa Mulders. "Vår studie visar att det finns tillräckligt med exoplaneter för att förklara den observerade frekvensen av de gapade skivorna vid olika stjärnmassor."

Korrelationen gäller även stjärnsystem med lågmassa stjärnor, där forskare är mer benägna att hitta massiva steniga exoplaneter, även känd som Super-Earths. Van der Marel, som kommer att bli biträdande professor vid Leiden University i Nederländerna från och med september 2021 sa, "Lägre massa stjärnor har mer steniga superjordar - mellan en jordmassa och en Neptunus massa. Skivor utan mellanrum, som är mer kompakta, leda till bildandet av superjordar."

Denna koppling mellan stjärnmassa och planeternas demografi kan hjälpa forskare att identifiera vilka stjärnor de ska rikta in sig på i sökandet efter steniga planeter i hela Vintergatan. "Denna nya förståelse av stjärnmassberoende kommer att hjälpa till att vägleda sökandet efter små, steniga planeter som jorden i solområdet, sa Mulders, som också är en del av det NASA-finansierade Alien Earths-teamet. "Vi kan använda stjärnmassan för att koppla de planetbildande skivorna runt unga stjärnor till exoplaneter runt mogna stjärnor. När en exoplanet upptäcks, det planetbildande materialet är vanligtvis borta. Så stjärnmassan är en "tagg" som talar om för oss hur den planetbildande miljön kan ha sett ut för dessa exoplaneter."

Och vad det hela handlar om är damm. "En viktig del av planetbildningen är påverkan av stoftutveckling, " sa van der Marel. "Utan jätteplaneter, damm kommer alltid att driva inåt, skapa de optimala förutsättningarna för bildandet av mindre, steniga planeter nära stjärnan."

Den aktuella forskningen utfördes med hjälp av data för mer än 500 objekt som observerats i tidigare studier med ALMA:s högupplösta Band 6- och Band 7-antenner. För närvarande, ALMA är det enda teleskopet som kan avbilda fördelningen av millimeterdamm med tillräckligt hög vinkelupplösning för att lösa upp dammskivorna och avslöja dess understruktur, eller brist på sådan. "Under de senaste fem åren, ALMA har producerat många ögonblicksbilder av närliggande stjärnbildande regioner som resulterat i hundratals mätningar av diskdammsmassa, storlek, och morfologi, ", sa van der Marel. "Det stora antalet observerade skivegenskaper har gjort det möjligt för oss att göra en statistisk jämförelse av protoplanetära skivor med de tusentals upptäckta exoplaneterna. Detta är första gången som ett stellar massberoende av gapade skivor och cd-skivor framgångsrikt har demonstrerats med hjälp av ALMA-teleskopet."

"Våra nya rön kopplar de vackra gapstrukturerna i skivor som observerats med ALMA direkt till egenskaperna hos de tusentals exoplaneter som upptäckts av NASAs Kepler-uppdrag och andra exoplanetundersökningar, " sa Mulders. "Exoplaneter och deras bildning hjälper oss att placera jordens och solsystemets ursprung i sammanhanget av vad vi ser hända runt andra stjärnor."