Vanligtvis följer planeter i utvecklade planetsystem, såsom solsystemet, stabila banor runt sin centrala stjärna. Mycket tyder dock på att vissa planeter kan avvika från sina födelseplatser under sin tidiga evolution genom att migrera inåt eller utåt.
Denna planetariska migration kan också förklara en observation som har förbryllat forskare i flera år:det relativt låga antalet exoplaneter med storlekar ungefär dubbelt så stora som jorden, känd som radiedalen eller gapet. Omvänt finns det många exoplaneter som är mindre och större än denna storlek.
"För sex år sedan avslöjade en omanalys av data från rymdteleskopet Kepler en brist på exoplaneter med storlekar runt två jordradier", förklarar Remo Burn, en exoplanetforskare vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg. Han är huvudförfattare till artikeln som rapporterar resultaten som beskrivs i denna artikel, nu publicerad i Nature Astronomy .
"I själva verket förutspådde vi - precis som andra forskargrupper - baserat på våra beräkningar, redan innan denna observation, att en sådan lucka måste finnas", förklarar medförfattaren Christoph Mordasini, medlem av National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS. Han leder avdelningen för rymdforskning och planetära vetenskaper vid universitetet i Bern. Denna förutsägelse har sitt ursprung under hans tid som vetenskapsman vid MPIA, som har forskat på detta område tillsammans med universitetet i Bern i många år.
Den vanligaste föreslagna mekanismen för att förklara uppkomsten av en sådan radiedal är att planeter kan förlora en del av sin ursprungliga atmosfär på grund av bestrålningen från den centrala stjärnan, särskilt flyktiga gaser som väte och helium. "Men den här förklaringen försummar inflytandet av planetarisk migration", förtydligar Burn.
Det har fastställts i cirka 40 år att under vissa förhållanden kan planeter röra sig inåt och utåt genom planetsystem över tiden. Hur effektiv denna migration är och i vilken utsträckning den påverkar utvecklingen av planetsystem påverkar dess bidrag till att bilda radiusdalen.
Två olika typer av exoplaneter lever i storleksintervallet som omger gapet. Å ena sidan finns det steniga planeter, som kan vara mer massiva än jorden och därför kallas superjordar. Å andra sidan upptäcker astronomer alltmer så kallade sub-Neptunes (även mini-Neptunes) i avlägsna planetsystem, som i genomsnitt är något större än superjordarna.
"Däremot har vi inte den här klassen av exoplaneter i solsystemet", påpekar Burn. "Det är därför vi än idag inte är exakt säkra på deras struktur och sammansättning."
Ändå är astronomer i stort sett överens om att dessa planeter har betydligt mer utsträckta atmosfärer än steniga planeter. Följaktligen har det varit osäkert att förstå hur dessa sub-Neptunes egenskaper bidrar till radiegapet. Kan klyftan ens tyda på att dessa två typer av världar bildas olika?
Vandrande isplaneter
"Baserat på simuleringar som vi redan publicerade 2020, indikerar och bekräftar de senaste resultaten att istället evolutionen av sub-Neptunes efter deras födelse väsentligt bidrar till den observerade radiedalen", avslutar Julia Venturini från Genèves universitet. Hon är medlem i PlanetS-samarbetet och ledde 2020 års studie.
I de isiga områdena på deras födelseplatser, där planeterna får lite uppvärmningsstrålning från stjärnan, borde sub-Neptunerna verkligen sakna storlekar från den observerade fördelningen. Eftersom dessa förmodligen isiga planeter migrerar närmare stjärnan tinar isen och bildar så småningom en tjock vattenångatmosfär.
Denna process resulterar i en förskjutning av planetradier till större värden. De observationer som används för att mäta planetradier kan trots allt inte skilja på om den bestämda storleken beror på enbart den fasta delen av planeten eller en extra tät atmosfär.
Samtidigt, som redan föreslagits i föregående bild, "krymper" steniga planeter genom att förlora sin atmosfär. Sammantaget ger båda mekanismerna en brist på planeter med storlekar runt två jordradier.
"Den teoretiska forskningen från Bern-Heidelberg-gruppen har redan avsevärt förbättrat vår förståelse av bildningen och sammansättningen av planetsystem tidigare", förklarar MPIA-direktör Thomas Henning. "Den aktuella studien är därför resultatet av många års gemensamt förberedande arbete och ständiga förbättringar av de fysiska modellerna."
De senaste resultaten härrör från beräkningar av fysiska modeller som spårar planetbildning och efterföljande evolution. De omfattar processer i gas- och stoftskivorna som omger unga stjärnor som ger upphov till nya planeter. Dessa modeller inkluderar uppkomsten av atmosfärer, blandning av olika gaser och radiell migration.
"Centralt i denna studie var egenskaperna hos vatten vid tryck och temperaturer som förekommer inuti planeter och deras atmosfärer," förklarar Burn. Att förstå hur vatten beter sig över ett brett spektrum av tryck och temperaturer är avgörande för simuleringar. Denna kunskap har varit av tillräcklig kvalitet först på senare år. Det är denna komponent som tillåter realistisk beräkning av sub-Neptunes beteende, och förklarar därmed manifestationen av omfattande atmosfärer i varmare områden.
"Det är anmärkningsvärt hur, som i det här fallet, fysikaliska egenskaper på molekylära nivåer påverkar storskaliga astronomiska processer som bildandet av planetatmosfärer," tillägger Henning.
"Om vi skulle utöka våra resultat till kallare regioner, där vatten är flytande, kan detta tyda på att det finns vattenvärldar med djupa hav", säger Mordasini. "Sådana planeter skulle potentiellt kunna vara värd för liv och skulle vara relativt enkla mål för att söka efter biomarkörer, tack vare deras storlek."
Det nuvarande arbetet är dock bara en viktig milstolpe. Även om den simulerade storleksfördelningen nära överensstämmer med den observerade, och radiegapet är på rätt plats, har detaljerna fortfarande vissa inkonsekvenser. Till exempel hamnar för många isplaneter för nära den centrala stjärnan i beräkningarna. Ändå uppfattar forskarna inte denna omständighet som en nackdel utan hoppas kunna lära sig mer om planetarisk migration på detta sätt.
Observationer med teleskop som James Webb Space Telescope (JWST) eller under-konstruktion Extremely Large Telescope (ELT) kan också hjälpa. De skulle kunna bestämma planeternas sammansättning beroende på deras storlek och på så sätt ge ett test för de simuleringar som beskrivs här.
MPIA-forskarna som är involverade i denna studie är Remo Burn och Thomas Henning.
Andra forskare inkluderar Christoph Mordasini (Universitetet i Bern, Schweiz [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Schweiz [Unige] och Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) och Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian) Universitetet i München, Tyskland och Unibe).
Rymdteleskopet NASA Kepler sökte efter planeter runt andra stjärnor mellan 2009 och 2018 och upptäckte tusentals nya exoplaneter under sin verksamhet. Den använde sig av transitmetoden:När en planets omloppsbana lutar på ett sätt så att planet ligger inom teleskopets siktlinje, blockerar planeter med jämna mellanrum en del av stjärnans ljus under sin omloppsbana. Denna periodiska fluktuation i stjärnans ljusstyrka möjliggör en indirekt detektering av planeten och bestämning av dess radie.
Mer information: En radiedal mellan migrerade ångvärldar och förångade steniga kärnor, Naturastronomi (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av Max Planck Society
