Tack vare Kepler-uppdraget och andra ansträngningar för att hitta exoplaneter har vi lärt oss mycket om exoplanetens befolkning. Vi vet att vi troligen hittar superjordar och Neptunmassaplaneter som kretsar kring stjärnor med låg massa, medan större planeter finns runt mer massiva stjärnor. Detta stämmer väl med kärnanslagningsteorin för planetbildning.
Men inte alla våra observationer överensstämmer med den teorin. Upptäckten av en Jupiter-liknande planet som kretsar runt en liten röd dvärg betyder att vår förståelse av planetbildning inte är så tydlig som vi trodde. En andra teori om planetbildning, kallad diskinstabilitetsteorin, kan förklara denna överraskande upptäckt.
Den röda dvärgstjärnan heter GJ 3512 och är cirka 31 ljusår bort från oss i Ursa Major. GJ 3512 är 0,12 gånger massan på vår sol, och planeten, GJ 3512b, är minst 0,46 gånger massan av Jupiter. Det betyder att stjärnan bara är cirka 250 gånger massivare än planeten. Inte bara det, utan det är bara cirka 0,3 AU från stjärnan.
Jämför det med vårt solsystem, där solen är över 1000 gånger massivare än den största planeten, Jupiter. Dessa siffror lägger inte upp när det gäller kärnanslutningsteorin.
Kärnanslagningsteorin är den mest accepterade teorin för planetbildning. Kärnanslutning sker när små fasta partiklar kolliderar och koagulerar för att bilda större kroppar. Under lång tid bygger det planeter. Det finns dock en gräns för hur det fungerar.
När en solid kärna upp till cirka 10-20 gånger jordens storlek bildas, är den tillräckligt massiv för att anskaffa gas, som bildar ett kuvert eller atmosfär runt den fasta kärnan. En nyckel är att kärnanslutning fungerar annorlunda beroende på avståndet från stjärnan.
I ett inre solsystem har stjärnan tagit upp mycket av det tillgängliga materialet och mindre planeter bildas, som Jorden. Jorden har också en relativt liten atmosfär. I ett yttre solsystem, utöver vad som kallas frostlinjen, finns det mycket mer material från planeter att formas från, även om materialet är mindre tätt. Det är så vi hamnar med gasjättar med volymfyllda atmosfärer i det yttre solsystemet.
Men i fallet med GJ 3512 fann forskarna vissa motsägelser med kärnans förklaringsförklaring. Först och främst är skälet till att stjärnor är lågmassa beror på att hela skivan de bildar från har mindre material. Stjärnor som GJ 3512 slutade helt enkelt på material innan de kunde bli väldigt stora. På samma sätt finns det mindre material kvar på den protoplanetära disken för att bilda stora planeter.
I sitt papper säger de att "Bildandet av en gasgigant <GJ 3512b> på detta sätt kräver att bygga upp en stor planetkärna med minst 5 jordmassor." De säger att det inte kan hända runt en sådan lågmassastjärna.
Detta nya stjärnsystem verkar utesluta kärnans tilläggsteori som en förklaring. Planeten är bara för massiv jämfört med stjärnan. Men det finns en annan teori som kallas diskinstabilitetsteorin.
När en ung stjärna föds in i fusion, omges den av en roterande protoplanetärisk skiva av material som finns kvar från bildningen av stjärnan. Planeter bildas av det materialet. Diskinstabilitetsteorin säger att den roterande skivan av material kan svalna snabbt. Den snabba kylningen kan få materialet att koagulera till klumpar i planetstorlek, som kan kollapsa under sin egen tyngdkraft för att bilda gasjättar, och hoppa över kärnans ackretionsprocess.
Medan kärnanslutning skulle ta lång tid, kan diskinstabilitet skapa stora planeter på mycket kortare tid. Det kan förklara att hitta stora planeter så nära små stjärnor, som i GJ 3512: s fall.
Forskarna bakom detta arbete fann också andra odligheter i detta system. De säger att det kan finnas en tredje planet i systemet - också en gasjätt - som påverkade GJ 3512b och orsakade dess långsträckta bana. Den här planetens närvaro uttalas genom den ovanliga banan i GJ 3512b och observerades inte. Teamet bakom studien säger att den andra planeten troligen kastades ut från systemet och nu är en skurk planet.
Det kommer att ta mer studie, med kraftfullare instrument, för att förstå detta system bättre. Enligt författarna är det en stor möjlighet att finjustera våra teorier om planetbildning. Som de säger i tidningens slutsats, ”GJ 3512 ett mycket lovande system eftersom det kan kännetecknas fullständigt och därmed fortsätta att sätta stränga begränsningar för ackretions- och migrationsprocesser, såväl som effektiviteten i planetbildning i protoplanetära skivor och skivan -till-stjärna massförhållanden.
Ett internationellt team av forskare i CARMENES (Calar Alto högupplösta sökning efter M dvärgar med exoearths med nära-infraröd och optisk Echelle Spectrographs) konsortium gjorde detta arbete. Det konsortiet söker efter röda dvärgar, den vanligaste stjärnstypen i galaxen, i hopp om att hitta planer med låg massa i sina beboeliga zoner. CARMENES genererar inte bara en datamängd för att förstå röda dvärgstjärnor, utan genom att hitta jordstorlekplaneter kommer den att ge en rik uppsättning uppföljningsmål för framtida studier.
Mer:
- Pressmeddelande: Gigantisk exoplanet kring små stjärnor utmanar förståelsen för hur planeter bildas
- Forskningsdokument: En gigantisk exoplanet som kretsar kring en stjärna med mycket låg massa utmanar modellerna för planeten
- PlanetHunters.org: Vad förstår vi verkligen om planetsbildning?
- Forskningsdokument: PLANETÄRSFORMATIONSCENARIER ÅTERVÄNDA: KÄR-ACCRETION VERSUS DISK INSTABILITET
- Cármenes
