Bildkredit: NWU
De speciella banorna från tre planeter som slingrar runt en avlägsen stjärna kan förklaras endast om en osynlig fjärde planet plundrade igenom och slog dem ur sina cirkulära banor, enligt en ny studie av forskare vid University of California, Berkeley och Northwestern University.
Slutsatsen är baserad på datoruttag från 13 år av observationer av planetrörelser runt stjärnan Upsilon Andromedae. Det antyder att de icke-cirkulära och ofta mycket elliptiska banorna hos många av de hittills upptäckta extrasolära planeterna kan vara resultatet av planeter som sprids från varandra. I ett sådant scenario skulle den störande planeten kunna skjutas ut ur systemet helt eller kunde sparkas in i en avlägsen bana och lämna de inre planeterna med excentriska banor.
"Detta är förmodligen ett av de två eller tre extrasolära system som har de bästa observationerna och de tätaste begränsningarna, och det berättar en unik historia," sa Eric Ford, en Miller postdoktor vid UC Berkeley. ”Vår förklaring är att den yttre planetens ursprungliga bana var cirkulär, men den fick denna plötsliga spark som permanent ändrade sin bana till att vara mycket excentrisk. För att ge den sparken har vi antagit att det fanns en ytterligare planet som vi inte ser nu. Vi tror att vi nu förstår hur detta system fungerar. ”
Om en sådan planet hade tränat igenom vårt solsystem tidigt i sin historia, konstaterade forskarna, kanske de inre planeterna inte har så snygga cirkulära banor, och baserat på nuvarande antaganden om livets ursprung kan jordens klimat ha fluktuerat för mycket för att livet har uppstått.
"Medan planeterna i vårt solsystem är stabila i miljarder år, så var det inte fallet för planeterna som kretsar kring Upsilon Andromedae," sade Ford. "Medan dessa planeter kanske hade bildats på samma sätt som Jupiter och Saturnus, så skapades deras nuvarande banor av en sen fas av kaotiska och våldsamma interaktioner."
Enligt Fords kollega, Frederic A. Rasio, docent i fysik och astronomi vid Northwestern, "Våra resultat visar att en enkel mekanism, ofta kallad" planet-planet scattering "- en slags slingshot-effekt på grund av den plötsliga gravitationskraften mellan två planeter när de kommer mycket nära varandra - måste vara ansvariga för de mycket excentriska banor som observeras i Upsilon Andromedae-systemet. Vi tror att planet-planet-spridning inträffade ofta i extrasolära planetariska system, inte bara detta, till följd av starka instabiliteter. Så även om planetsystem runt andra stjärnor kan vara vanliga, är de typer av system som kan stödja liv, som, liksom vårt solsystem, förmodligen måste förbli stabila under mycket lång tid skalor, kanske inte så vanligt. "
Datorsimuleringarna rapporteras i 14 april-numret av tidskriften Nature by Ford, Rasio och Verene Lystad, en forskarstuderande med examen i fysik vid Nordvästern. Ford var student vid Rasios vid Massachusetts Institute of Technology innan han tog examen vid Princeton University och anlände till UC Berkeley 2004.
Planetsystemet runt Upsilon Andromedae är ett av de mest studerade av de 160-vissa systemen med planeter som hittades så långt utanför vårt eget solsystem. Den inre planeten, en "het Jupiter" så nära stjärnan att dess bana bara är några dagar, upptäcktes 1996 av UC Berkeleys Geoff Marcy och hans planetjaktlag. De två yttre planeterna, med långsträckta banor som stör varandra starkt, upptäcktes 1999. Dessa tre, enorma, Jupiter-liknande planeter runt Upsilon Andromedae omfattade det första extrasolära flerplanet-systemet som upptäcktes av Doppler-spektroskopi.
På grund av den ovanliga karaktären av planetbanorna runt Upsilon Andromedae har Marcy och hans team studerat det intensivt och gjort nästan 500 observationer - 10 gånger mer än för de flesta andra extrasolära planeter som har hittats. Dessa iakttagelser, wobblarna i stjärnans rörelse inducerade av de kretsande planeterna, tillåter en mycket exakt kartläggning av planeternas rörelser runt stjärnan.
"Observationerna är så exakta att vi kan se och förutsäga vad som kommer att hända i tiotusentals år i framtiden," sade Ford.
Idag, medan den innersta planeten kramar nära stjärnan, går de två yttre planeterna i äggformade banor. Datorsimuleringar av förflutna och framtida omloppsförändringar visade emellertid att de yttre planeterna är engagerade i en repetitiv dans som en gång vart 7 000 år leder centrumplanets bana till en cirkel.
"Den egenskapen att återvända till en mycket cirkulär bana är ganska anmärkningsvärd och händer i allmänhet inte," sade Ford. ”Den naturliga förklaringen är att de en gång var båda i cirkulära banor, och man fick en stor kick som fick den att bli excentrisk. Sedan fick den efterföljande utvecklingen den andra planeten att växa sin excentricitet, men på grund av bevarandet av energi och vinkelmoment återvänder den periodvis till en mycket nästan cirkulär bana. "
Tidigare hade astronomer föreslagit två möjliga scenarier för bildandet av Upsilon Andromedaes planetsystem, men observationsdata var ännu inte tillräckliga för att skilja de två modellerna. En annan astronom, Renu Malhotra vid University of Arizona, hade tidigare föreslagit att spridning av planet-planet kan ha upphetsat excentriciteten i Upsilon Andromedae. Men en alternativ förklaring hävdade att interaktioner mellan planeterna och en gasskiva som omger stjärnan också kunde ha producerat sådana excentriska banor. Genom att kombinera ytterligare observationsdata med nya datormodeller kunde Ford och hans kollegor visa att interaktioner med en gasskiva inte skulle ha producerat de observerade banorna, men att interaktioner med en annan planet naturligtvis skulle producera dem.
”Det viktigaste skiljefunktionen mellan de här teorierna var att interaktioner med en yttre disk skulle orsaka att banorna förändras mycket långsamt, och en stark interaktion med en förbiplanerad planet skulle få banorna att förändras mycket snabbt jämfört med den 7 000-åriga tidsskalan för banor för att utvecklas, ”sade Ford. "Eftersom de två hypoteserna gör olika förutsägelser för systemets utveckling, kan vi begränsa systemets historia baserat på de aktuella planetbanorna."
Ford sa att när planeterna bildades i en skiva med gas och damm, skulle draken på planeterna ha hållit sina banor cirkulära. När dammet och gasen försvunnit kunde emellertid endast en interaktion med en förbipasserande planet ha skapat de speciella banorna i de två yttre planeterna som observerades idag. Kanske, konstaterade han, den störande planeten slogs in i de inre planeterna genom interaktioner med andra planeter långt från den centrala stjärnan.
Men det började, de resulterande kaotiska interaktionerna skulle ha skapat en mycket excentrisk bana för den tredje planeten, som sedan också gradvis störde den andra planetens omloppsbana. Eftersom den yttre planeten dominerar systemet, störde den med tiden den mellersta planetens bana tillräckligt för att deformeras den långsamt till en excentrisk bana också, vilket är det som ses idag, även om varje 7 000 år eller så, återvänder den mellersta planet till en cirkulär bana.
"Det är detta som gör systemet så märkligt," sade Rasio. ”Vanligtvis skulle gravitationskopplingen mellan två elliptiska banor aldrig få en att gå tillbaka till en nästan perfekt cirkel. En cirkel är väldigt speciell. ”
"Ursprungligen var huvudmålet med vår forskning att simulera Upsilon Andromedae-planetsystemet, i huvudsak för att avgöra om de två yttre planeterna ligger i samma plan som planeterna i solsystemet gör," sade Lystad, som började arbeta med Rasio när hon var avancerad och gjorde många av datorintegrationerna som en del av hennes examensarbete. ”Vi blev förvånade över att det för många av våra simuleringar var svårt att se om planeterna befann sig i samma plan på grund av att mellanplanetens omlopp periodvis blev så mycket nästan cirkulär. När vi märkte att detta konstiga beteende var närvarande i alla våra simuleringar erkände vi det som ett öronmärke för ett system som har genomgått planet-planet spridning. Vi insåg att det fanns något mycket mer intressant på gång än någon hittat tidigare. ”
Att förstå vad som hände under bildningen och utvecklingen av Upsilon Andromedae och andra extrasolära planetariska system har stora konsekvenser för vårt eget solsystem.
"När du inser att de flesta av de kända extrasolära planeterna har mycket excentriska banor (som planeterna i Upsilon Andromedae), börjar du undra om det kan vara något speciellt med vårt solsystem," sade Ford. ”Kan våldsam planet-planet-spridning vara så vanligt att få planetsystem förblir lugna och bebodda? Lyckligtvis gör astronomer - under ledning av Geoff Marcy, professor i astronomi vid UC Berkeley - flitigt observationerna som så småningom kommer att besvara denna spännande fråga. ”
Forskningen stöds av National Science Foundation och UC Berkeleys Miller Institute for Basic Research.
Originalkälla: Berkeley News Release
