Det finns en population av planeter som driver genom rymden obundna till några stjärnor. De kallas skurkplaneter eller fritt flytande planeter (FFPs). Vissa FFPs bildas som ensamvargar, som aldrig har haft en stjärnas sällskap. Men de flesta kastas ut från solsystemen på något sätt, och det finns olika sätt som kan hända.
En forskare satte sig för att försöka förstå FFP-populationen och hur de kom till.
FFP:er kallas också isolerade planetariska massaobjekt (iPMOs) i vetenskaplig litteratur, men oavsett vilket namn som används är de samma sak. Dessa planeter vandrar genom det interstellära rymden på egen hand, skilda från alla relationer med stjärnor eller andra planeter.
FFP:er är mystiska eftersom de är extremt svåra att upptäcka. Men astronomer blir bättre på det och får bättre verktyg för uppgiften. År 2021 gjorde astronomer ett beslutsamt försök att upptäcka dem i Upper Scorpius och Ophiuchus och upptäckte 70 av dem, möjligen många fler.
I stora drag finns det två sätt som FFP kan bildas på. De kan bildas som de flesta planeter gör, i protoplanetära skivor runt unga stjärnor. Dessa planeter bildas genom ansamling av damm och gas. Eller så kan de bildas som stjärnor gör genom att kollapsa i ett moln av gas och damm som inte är relaterat till en stjärna.
För planeter som bildas runt stjärnor och så småningom sparkas ut, finns det olika utstötningsmekanismer. De kan kastas ut genom interaktioner med sina stjärnor i ett binärt stjärnsystem, de kan kastas ut av en förbiflygning av stjärnor, eller de kan kastas ut genom planet-planetspridning.
I ett försök att förstå FFP-populationen bättre undersökte en forskare utstötta FFP. Han simulerade oseriösa planeter som härrör från planet-planet-interaktioner och de som kommer från binära stjärnsystem, där interaktioner med deras binära stjärnor stöter ut dem. Kan det finnas ett sätt att skilja dem åt och bättre förstå hur dessa föremål blir till?
En ny artikel med titeln "Om egenskaperna hos fritt flytande planeter med ursprung i cirkumbinära planetsystem" tog itu med problemet. Författaren är Gavin Coleman från institutionen för fysik och astronomi vid Queen Mary University of London. Uppsatsen kommer att publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society och är tillgänglig på arXiv förtrycksserver.
I sin uppsats påpekar Coleman att forskare har utforskat hur FFPs bildas, men det finns mer att göra. "Många arbeten har utforskat mekanismer för att bilda sådana objekt men har ännu inte gett förutsägelser om deras fördelningar som kan skilja mellan bildningsmekanismer", skriver han.
Coleman fokuserar på utstötta stjärnor snarare än stjärnor som bildades som skurkar. Han undviker oseriösa planeter som är ett resultat av interaktioner med andra planeter eftersom spridning av planeter och planeter inte är lika betydande som andra typer av utstötningar. "Det är värt att notera att planet-planet som sprider sig runt enstaka stjärnor inte kan förklara det stora antalet FFP som ses i observationer," förklarar Coleman.
Coleman pekar ut binära stjärnsystem och deras cirkumbinära planeter i sitt arbete. Tidigare forskning visar att planeter naturligt stöts ut från cirkumbinära system. I sin forskning simulerade Coleman binära stjärnsystem och hur planeter som kastas ut från dessa system beter sig. "Vi hittar betydande skillnader mellan planeter som skjuts ut genom planet-planet-interaktioner och de av binärstjärnorna", skriver han.
Coleman baserade sina simuleringar på ett binärt stjärnsystem vid namn TOI 1338. TOI 1338 har en känd cirkumbinär planet som kallas BEBOP-1. Att använda ett känt binärt system med en bekräftad cirkumbinär planet ger en solid grund för hans simuleringar. Det gjorde det också möjligt för honom att jämföra sina resultat med andra simuleringar baserade på BEBOP-1.
Simuleringen varierade flera parametrar:den initiala skivmassan, den binära separationen, styrkan hos den yttre miljön och turbulensnivån i skivan. Dessa parametrar styr starkt planeterna som bildas. Andra parametrar använde bara ett enda värde:den kombinerade stjärnmassan, massförhållandet och binär excentricitet. Den kombinerade stjärnmassan av TOI 1338 är cirka 1,3 solmassor, i linje med genomsnittet i binära system på cirka 1,5 solmassor.
Varje simulering pågick i 10 miljoner år, tillräckligt länge för att solsystemet skulle ta form.
Coleman fann att cirkumbinära system producerar FFPs effektivt. I simuleringarna skjuter varje binärt system ut i genomsnitt mellan två till sju planeter med större än 1 jordmassa. För jätteplaneter som är större än 100 jordmassor sjunker antalet utstötta planeter till 0,6 utskjutna planeter per system.
Simuleringarna visade också att de flesta planeter kastas ut från sina cirkumbinära skivor mellan 0,4 och 4 miljoner år efter simuleringens början. Vid denna ålder har den cirkumbinära disken inte försvunnit och blåst bort.
Det viktigaste resultatet kan röra hastighetsspridningarna av FFP:er. "När planeterna kastas ut från systemen, behåller de betydande överhastigheter, mellan 8–16 km/s. Detta är mycket större än observerade hastighetsspridningar av stjärnor i lokala stjärnbildande regioner," förklarar Coleman. Så detta betyder att hastighetsspridningarna av FFP:er kan användas för att skilja utkastade från de som bildades som ensamvargar.
Hastighetsdispersionerna ger ytterligare ett fönster in i FFP-populationen. Colemans simuleringar visar att hastighetsspridningen av FFP:er som skjuts ut genom interaktioner med binära stjärnor är ungefär tre gånger större än spridningen från planeter som skjuts ut av planet-planet-spridning.
Coleman fann också att nivån av turbulens i skivan påverkar planetens utstötning. Ju svagare turbulensen är, desto fler planeter kastas ut. Turbulens påverkar också massan av utstötta planeter:svagare turbulens stöter ut mindre massiva planeter, där cirka 96 % av utstötta planeter är mindre än 100 jordmassor.
Sammantaget ger simuleringarna ett sätt att observera FFP-populationen och att fastställa deras ursprung. "Skillnader i fördelningen av FFP-massor, deras frekvenser och överhastigheter kan alla indikera om enstaka stjärnor eller cirkumbinära system är den grundläggande födelseplatsen för FFP:er", skriver Coleman i sin slutsats.
Men författaren erkänner också nackdelarna i sina simuleringar och klargör vad simmarna inte berättar för oss.
"Men även om detta arbete innehåller många simuleringar och utforskar ett brett parameterutrymme, utgör det inte en fullständig population av bildande cirkumbinära system," skriver Coleman i sin slutsats. Enligt Coleman är det inte möjligt med nuvarande teknik att härleda en fullständig population av dessa system.
"Skulle en sådan population utföras i framtida arbete, då skulle jämförelser mellan den populationen och observerade populationer ge ännu mer värdefull insikt om bildandet av dessa spännande objekt", förklarar han.
Det finns fortfarande mycket som astronomer inte vet om binära system och hur de bildar och stöter ut planeter. För det första revideras och uppdateras modeller för planetbildning ständigt med ny information.
Vi har inte heller en stark uppfattning om hur många FFP det finns. Vissa forskare tror att det kan finnas biljoner av dem. Det kommande romerska rymdteleskopet Nancy Grace kommer att använda gravitationslinser för att ta en inventering av exoplaneter, inklusive ett urval av FFP:er med massor så små som Mars.
I framtida arbete avser Coleman att avgöra om det finns skillnader i kemisk sammansättning mellan FFP:er. Det skulle begränsa vilka typer av stjärnor de bildar runt och var i deras protoplanetära skivor de bildades. Det skulle kräva spektroskopiska studier av FFP.
Men för nu, åtminstone, har Coleman utvecklat ett stegvis bättre sätt att förstå FFPs. Med hjälp av dessa data kan astronomer börja urskilja var enskilda FFP kom ifrån och att bättre förstå befolkningen i stort.
Mer information: Gavin A. L. Coleman, Om egenskaperna hos fritt flytande planeter med ursprung i cirkumbinära planetsystem, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.18481
Journalinformation: arXiv , Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Tillhandahålls av Universe Today
