Bildekreditt: NWU
De særegne banene fra tre planeter som løkker rundt en fjern stjerne kan bare forklares hvis en usett fjerde planet sløvet gjennom og slo dem ut av sine sirkulære baner, ifølge en ny studie av forskere ved University of California, Berkeley og Northwestern University.
Konklusjonen er basert på datamaskinekstrapoleringer fra 13 år med observasjoner av planetbevegelser rundt stjernen Upsilon Andromedae. Det antyder at de ikke-sirkulære og ofte sterkt elliptiske banene til mange av de ekstrasolære planetene som er oppdaget til dags dato, kan være et resultat av at planetene sprer seg fra hverandre. I et slikt scenario kan den forstyrrende planeten bli skutt ut av systemet helt eller kunne bli sparket i en fjern bane, og etterlate de indre planetene med eksentriske baner.
"Dette er sannsynligvis et av de to eller tre ekstrasolære systemene som har de beste observasjonene og de strammeste begrensningene, og det forteller en unik historie," sa Eric Ford, en Miller postdoktor ved UC Berkeley. "Forklaringen vår er at den ytre planetens opprinnelige bane var sirkulær, men den fikk dette plutselige sparket som permanent endret bane til å være svært eksentrisk. For å gi det sparket, har vi antatt at det var en ekstra planet som vi ikke ser nå. Vi tror vi nå forstår hvordan dette systemet fungerer. ”
Hvis en slik planet hadde karslet seg gjennom solsystemet vårt tidlig i historien, konstaterte forskerne, kunne de indre planetene ikke nå ha så pene sirkulære baner, og basert på nåværende antakelser om livets opprinnelse, kan jordas klima ha svingt for mye for livet å ha oppstått.
"Mens planetene i solsystemet vårt holder seg stabilt i milliarder av år, var det ikke tilfellet for planetene som går i bane rundt Upsilon Andromedae," sa Ford. "Selv om disse planetene kan ha dannet seg på samme måte som Jupiter og Saturn, ble deres nåværende baner skulpturert av en sen fase av kaotisk og voldelig interaksjon."
I følge Fords kollega, Frederic A. Rasio, førsteamanuensis i fysikk og astronomi ved Northwestern, viser resultatene at en enkel mekanisme, ofte kalt 'planet-planet scattering' - en slags sprettert effekt på grunn av det plutselige gravitasjonstrekket mellom to planeter når de kommer veldig nær hverandre - må være ansvarlige for de svært eksentriske banene som er observert i Upsilon Andromedae-systemet. Vi tror spredning av planet-planet forekom ofte i ekstrasolære planetariske systemer, ikke bare dette, som skyldes sterke ustabiliteter. Så selv om planetariske systemer rundt andre stjerner kan være vanlige, er det ikke sikkert at de systemene som kan støtte liv, som, i likhet med solsystemet vårt, antagelig må holde seg stabile over veldig lang tid.
Datasimuleringene ble rapportert i 14. aprilutgaven av tidsskriftet Nature av Ford, Rasio og Verene Lystad, en studentergradstudent med hovedfag i fysikk ved Northwestern. Ford var student av Rasios ved Massachusetts Institute of Technology, før han studerte hovedfag ved Princeton University og ankom UC Berkeley i 2004.
Planetsystemet rundt Upsilon Andromedae er et av de mest studerte av de 160-noen systemene med planeter som er oppdaget så langt utenfor vårt eget solsystem. Den indre planeten, en "hot Jupiter" så nær stjernen at banen er bare noen få dager, ble oppdaget i 1996 av UC Berkeleys Geoff Marcy og hans planetjaktlag. De to ytre planetene, med langstrakte baner som forstyrrer hverandre sterkt, ble oppdaget i 1999. Disse tre, enorme, Jupiter-lignende planetene rundt Upsilon Andromedae utgjorde det første ekstrasolare flerplanet-systemet som ble oppdaget av Doppler-spektroskopi.
På grunn av den uvanlige naturen til planetbanene rundt Upsilon Andromedae, har Marcy og teamet hans studert det intenst, gjort nesten 500 observasjoner - 10 ganger mer enn for de fleste andre ekstrasolære planeter som er funnet. Disse observasjonene, vinglingene i stjernens bevegelse indusert av de kretsende planetene, tillater en veldig presis kartlegging av planetenes bevegelser rundt stjernen.
"Observasjonene er så presise at vi kan se og forutsi hva som vil skje i titusenvis av år fremover," sa Ford.
I dag, mens den innerste planeten klynger seg nær stjernen, går de to ytre planetene i eggformede baner. Datasimuleringer av forrige og fremtidige omløpsendringer viste imidlertid at de ytre planetene er engasjert i en repeterende dans som en gang hvert 7.000 år fører midtplanetenes bane til en sirkel.
"Denne egenskapen til å gå tilbake til en veldig sirkulær bane er ganske bemerkelsesverdig og skjer vanligvis ikke," sa Ford. ”Den naturlige forklaringen er at de en gang var begge i sirkulære baner, og man fikk et stort spark som fikk den til å bli eksentrisk. Deretter fikk den påfølgende evolusjonen den andre planeten til å vokse sin eksentrisitet, men på grunn av bevaring av energi og vinkelmoment, vender den periodisk tilbake til en veldig nesten sirkulær bane. "
Tidligere hadde astronomer foreslått to mulige scenarier for dannelsen av Upsilon Andromedaes planetsystem, men observasjonsdataene var ennå ikke tilstrekkelige til å skille de to modellene. En annen astronom, Renu Malhotra ved University of Arizona, hadde tidligere antydet at spredning av planet-planet kan ha begeistret eksentrisitetene i Upsilon Andromedae. Men en alternativ forklaring hevdet at samhandling mellom planetene og en gasskive som omgir stjernen, også kunne ha produsert slike eksentriske baner. Ved å kombinere tilleggsobservasjonsdata med nye datamodeller kunne Ford og kollegene vise at samhandling med en bensindisk ikke ville ha produsert de observerte banene, men at samhandling med en annen planet naturlig ville produsere dem.
"Det viktigste kjennetegnet mellom disse teoriene var at interaksjoner med en ytre disk ville føre til at banene endret seg sakte, og et sterkt samspill med en forbipasserende planet ville føre til at banene endret seg veldig raskt sammenlignet med den 7.000 år lange tidsskalaen for baner for å utvikle seg, ”sa Ford. "Fordi de to hypotesene gir forskjellige spådommer for utviklingen av systemet, kan vi begrense systemets historie basert på de nåværende planetariske banene."
Ford sa at når planetene dannet seg i en skive med gass og støv, ville dra på planetene ha holdt banene sine sirkulære. Når støvet og gassen var forsvunnet, kunne imidlertid bare et samspill med en forbipasserende planet ha skapt de spesielle banene til de to ytre planetene som er observert i dag. Kanskje, bemerket han, ble den forstyrrende planeten slått inn i de indre planetene av samspill med andre planeter langt fra den sentrale stjernen.
Men det startet, de resulterende kaotiske interaksjonene ville ha skapt en veldig eksentrisk bane for den tredje planeten, som deretter gradvis forstyrret den andre planetens bane. Fordi den ytre planeten dominerer systemet, forstyrret den over tid planetens bane nok til å deformeres langsomt til en eksentrisk bane, og det er det som sees i dag, selv om hvert 7.000 år eller så, vender den midterste planeten gradvis tilbake til en sirkulær bane.
"Det er dette som gjør systemet så særegent," sa Rasio. “Vanligvis ville gravitasjonskoblingen mellom to elliptiske baner aldri få en til å gå tilbake til en nesten perfekt sirkel. En sirkel er veldig spesiell. ”
"Opprinnelig var hovedmålet med vår forskning å simulere Upsilon Andromedae planetariske system, hovedsakelig for å avgjøre om de ytre to planetene ligger i samme plan som planetene i solsystemet gjør," sa Lystad, som begynte å samarbeide med Rasio da hun var en annen, og gjorde mange av datamaskinintegrasjonene som en del av sin hovedoppgave. "Vi var overrasket over å finne at det for mange av simuleringene våre var vanskelig å se om planetene var i samme plan på grunn av at midtplanetens bane med jevne mellomrom ble så veldig sirkulær. Når vi la merke til at denne rare oppførselen var til stede i alle simuleringene våre, anerkjente vi den som et øremerke for et system som hadde gjennomgått en planet-planet spredning. Vi innså at det var noe mye mer interessant som foregikk enn noen hadde funnet før. ”
Å forstå hva som skjedde under dannelsen og utviklingen av Upsilon Andromedae og andre ekstrasolære planetariske systemer, har store konsekvenser for vårt eget solsystem.
"Når du er klar over at de fleste av de kjente ekstrasolare planetene har svært eksentriske baner (som planetene i Upsilon Andromedae), begynner du å lure på om det kan være noe spesielt med solsystemet vårt," sa Ford. "Kan voldelig planet-planet spredning være så vanlig at få planetariske systemer forblir rolige og beboelige? Heldigvis gjør astronomer - ledet av Geoff Marcy, professor i astronomi ved UC Berkeley - flittig observasjonene som til slutt vil svare på dette spennende spørsmålet. ”
Forskningen ble støttet av National Science Foundation og UC Berkeley's Miller Institute for Basic Research.
Originalkilde: Berkeley News Release
