De mysterieuze gasreus rond HD 114082

De mysterieuze gasreus rond HD 114082
Redactieraad
/ Persbericht van het Max Planck Instituut voor Sterrenkunde
astronews. com
30 november 2022

Astronomen hebben een gigantische planeet ontdekt rond de zonachtige ster HD 114082. Met een leeftijd van slechts 15 miljoen jaar is deze super-Jupiter de jongste exoplaneet in zijn soort waarvan de straal en massa zijn bepaald. Beide grootheden zijn echter moeilijk te rijmen met algemeen aanvaarde modellen van planeetvorming.

Astronomen hebben meer dan 5.000 exoplaneten ontdekt, waarvan ongeveer 15 procent gasreuzen zijn met een massa van minstens die van Jupiter. Nu heeft een groep astronomen onder leiding van Olga Zakozhai van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg en de Main Astronomical Observatory van de Nationale Academie van Wetenschappen van Oekraïne in Kiev een exoplaneet ontdekt genaamd HD 114082 b, die een aantal kenmerken die wetenschappers aan het denken zetten.

De planeet is ongeveer zo groot als Jupiter, maar zijn massa is acht keer die van Jupiter. “Vergeleken met de momenteel geaccepteerde modellen, is HD 114082 b twee tot drie keer zo dicht voor een jonge gasreus van slechts 15 miljoen jaar oud”, zegt Zakzai. De resulterende gemiddelde dichtheid voor deze gasvormige planeet is tweemaal die van de aarde – wat echt opmerkelijk is. De aarde is immers een rotsachtige planeet met een kern van ijzer en nikkel en bestaat niet uit waterstof en helium, de lichtste elementen in het heelal, waaruit Jupiter bijna uitsluitend bestaat.

“HD 114082 b is momenteel de kleinste bekende gasreuzenplaneet met een gevestigde massa en straal,” zei Zakzai. Dus belooft hij astronomie te onderwijzen over de vorming van gasreuzen in het algemeen. “We denken dat gigantische planeten op twee manieren kunnen ontstaan”, legt Ralph Lönnhardt van MPIA uit. “Beide komen voor binnen een protoplanetaire schijf van gas en stof die zich rond een jonge gastster verspreidt.” In het eerste proces, “kernaccretie” genoemd, wordt eerst een vaste kern van rotsachtig materiaal verzameld. Zodra het een kritieke massa bereikt, trekt zijn zwaartekracht aan het omringende gas, waardoor waterstof en helium zich snel ophopen, waardoor een gigantische planeet ontstaat. In het tweede proces, “schijfinstabiliteit” genoemd, storten door zwaartekracht onstabiele bundels van dicht gas volledig in elkaar en vormen een gigantische planeet zonder een rotsachtige kern.

Afhankelijk van de aannames die voor deze twee scenario’s zijn gemaakt, zou het gas met verschillende snelheden moeten afkoelen, wat de temperatuur van de jonge gasreuzenplaneten bepaalt. Nieuwe planeten kunnen dus een “koude start” of een “hete start” ervaren, wat resulteert in duidelijke verschillen die deze modellen kunnen kenmerken, vooral op jonge leeftijd.

Momenteel geven veel astronomen de voorkeur aan het hotstart-scenario van kernaangroei voor gigantische planeten zoals HD 114082 b. Aangezien heet gas meer volume inneemt dan koud gas, moet men duidelijke verschillen in de afmetingen van de waargenomen planeten opmerken. Dit verschil in grootte is het meest uitgesproken op de kleinere planeten. Tijdens de eerste honderden miljoenen jaren van afkoeling na de vorming neemt dit effect echter af. Op het eerste gezicht spreekt HD 114082 b de verwachtingen tegen. De combinatie van massa en volume past niet in het hot-start plaatje. In plaats daarvan komt het meer overeen met een koude startscenario.

Interessant is dat sommige van de iets oudere kandidaten uit andere onderzoeken hetzelfde gedrag vertonen. “Het is te vroeg om het idee van een hete start op te geven”, legt Lönnhardt uit. “Alles wat we kunnen zeggen is dat we de vorming van gigantische planeten nog niet volledig begrijpen.” HD 114082 b is duidelijk te klein voor zijn massa in vergelijking met de huidige modellen. Ofwel heeft het een ongewoon grote vaste kern, ofwel hebben de modellen het bij het verkeerde eind en onderschatten ze de snelheid waarmee deze gasreuzen kunnen afkoelen, of beide.

De ontdekking van HD 114082 b is het resultaat van een uitgebreid observatieprogramma genaamd RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets Around Young Stars). Het bestaat momenteel uit 775 uur aan waarnemingen met behulp van de door MPIA aangedreven ESO/MPG-telescoop van 2,2 meter op de locatie van de European Southern Observatory (ESO) op La Silla in Chili, over een periode van 4,5 jaar. RVSPY is een goed voorbeeld van high-throughput astronomisch onderzoek dat wordt uitgevoerd op telescopen met permanente toegang gedurende een lange periode. Dergelijke studies zouden niet mogelijk zijn met de modernste telescopen, omdat de observatietijd voor elk project zeer beperkt is vanwege de grote vraag.

Het doel van RVSPY is om het aantal en de verdeling van gigantische planeten (heet, warm en koud) rond jonge sterren te onthullen. Voor dit doel hebben astronomen tijdreeksen van spectra van 111 jonge sterren vastgelegd, dat wil zeggen dat ze sterlicht opsplitsen in de basiskleurcomponenten, vergelijkbaar met wat we in een regenboog zien. Kleine periodieke verschuivingen in stellaire spectra kunnen wijzen op de waargenomen oscillatie van de ster als gevolg van de zwaartekracht van een in een baan om de aarde draaiende planeet. Over het algemeen kan stellaire activiteit, zoals pulsaties of fakkels, metingen beïnvloeden, vooral voor jonge sterren zoals HD 114082. De gegevenskwaliteit van RVSPY is echter goed genoeg om onmiskenbaar het signaal van een rockende ster te identificeren. Het team nam ook oude archiefgegevens van andere telescopen op om de dekking in het verleden uit te breiden.

Terwijl astronomen de zogenaamde radiale snelheidsmethode gebruiken om de massa en omlooptijd van een planeet rond zijn moederster af te leiden, moeten ze hun toevlucht nemen tot een andere techniek om de grootte ervan te bepalen: de transitmethode. Periodieke lichte verduisteringen van een ster worden waargenomen door een planeet die voor de ster passeert. “We hebben al vermoed dat de baan van de planeet zich bijna op zijn kant heeft gevormd, sinds de ontdekking van een ring van stof rond HD 114082 een paar jaar geleden”, zegt Zakzai. “We hadden echter het geluk een observatie in de TESS-gegevens te vinden met een indrukwekkende transitlichtcurve die onze analyse verbeterde.”

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) is een NASA-ruimtevaartuig dat zoekt naar exoplaneten rond sterren die zich relatief dicht bij de aarde bevinden. Door deze metingen te integreren, ontdekten Zakouzi en haar collega’s dat HD 114082 b in 110 dagen om zijn zonachtige moederster draait op een afstand van ongeveer 0,5 AU. Een astronomische eenheid is de gemiddelde afstand tussen de zon en de aarde. Het is dus vergelijkbaar met de baan van Mercurius rond onze zon.

HD 114082 b is een van de slechts drie jonge reuzenplaneten, tot 30 miljoen jaar oud, waarvan de grootte en grootte bekend zijn. Ze zullen waarschijnlijk allemaal in strijd zijn met de meest populaire geaccepteerde snelstartmodellen. Hoewel astronomen statistieken met een laag aantal gebruiken met drie planeten, is het onwaarschijnlijk dat al deze planeten uitschieters zijn. “Hoewel er meer van dergelijke planeten nodig zijn om deze trend te bevestigen, denken we dat theoretici hun berekeningen moeten heroverwegen,” zei Zakzai. “Het is opwindend hoe onze waarnemingsresultaten bijdragen aan de theorie van planeetvorming. Ze helpen onze kennis over hoe deze gigantische planeten worden gevormd te verbeteren en laten ons zien waar de hiaten in ons begrip liggen.”

Het team rapporteert over de waarnemingen van HD 114082 b in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomie en astrofysica Hij kwam tevoorschijn.