Een team van astronomen onder leiding van Brendan Bowler van de Universiteit van Texas in Austin heeft het vormingsproces van gigantische exoplaneten en bruine dwergen onderzocht. een klasse van objecten die zwaarder zijn dan reuzenplaneten, maar niet massief genoeg om kernfusie in hun kernen te doen ontbranden om te schitteren als echte sterren.

Met behulp van directe beeldvorming met telescopen op de grond in Hawaii-W. M. Keck Observatory en Subaru Telescope op Maunakea - het team bestudeerde de banen van deze zwakke metgezellen die rond sterren draaien in 27 systemen. Deze data, gecombineerd met het modelleren van de banen, stelden ze in staat om te bepalen dat de bruine dwergen in deze stelsels zich vormden als sterren, maar de gasreuzen vormden zich als planeten.

Het onderzoek is gepubliceerd in het huidige nummer van Het astronomische tijdschrift .

In de laatste twee decennia, technologische sprongen hebben telescopen in staat gesteld om het licht te scheiden van een moederster en een veel donkerder object in een baan om de aarde. 1995, deze nieuwe mogelijkheid produceerde de eerste directe beelden van een bruine dwerg in een baan om een ​​ster. Het eerste directe beeld van planeten die rond een andere ster draaien, volgde in 2008.

"In de afgelopen twintig jaar we sprongen massaal op en neer, " Bowler zei over de directe beeldvormingscapaciteit, opmerkend dat de huidige limiet ongeveer 1 Jupiter-massa is. Naarmate de technologie is verbeterd, "Een van de grote vragen die naar voren is gekomen, is 'Wat is de aard van de metgezellen die we vinden?'"

Bruine dwergen, zoals gedefinieerd door astronomen, hebben massa's tussen 13 en 75 Jupiter massa's. Ze hebben kenmerken gemeen met zowel planeten als met sterren, en Bowler en zijn team wilden de vraag oplossen:zijn gasreuzenplaneten aan de buitenranden van planetenstelsels het topje van de planetaire ijsberg, of het lage-massa-uiteinde van bruine dwergen? Eerder onderzoek heeft aangetoond dat bruine dwergen die rond sterren draaien waarschijnlijk gevormd zijn als lichte sterren, maar het was minder duidelijk wat de laagste massapartner is die dit vormingsmechanisme kan produceren.

"Een manier om dit te bereiken is door de dynamiek van het systeem te bestuderen - om naar de banen te kijken, " zei Bowler. Hun banen van vandaag zijn de sleutel tot het ontsluiten van hun evolutie.

Met behulp van Keck Observatory's adaptieve optica (AO) systeem met de Near-Infrared Camera, instrument van de tweede generatie (NIRC2) op de Keck II-telescoop, evenals de Subaru-telescoop, Het team van Bowler nam foto's van reuzenplaneten en bruine dwergen terwijl ze om hun moedersterren draaien.

Het is een lang proces. De gasreuzen en bruine dwergen die ze bestudeerden, bevinden zich zo ver van hun moedersterren dat één baan honderden jaren kan duren. Om zelfs maar een klein percentage van de baan te bepalen, "Je maakt een foto, je wacht een jaar, " voor de zwakke metgezel om een ​​​​beetje te reizen, zei Bowler. Dan "neem je nog een foto, wacht je nog een jaar."

Dit onderzoek was gebaseerd op AO-technologie, waarmee astronomen kunnen corrigeren voor vervormingen veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde. Aangezien AO-instrumenten de afgelopen drie decennia voortdurend zijn verbeterd, meer bruine dwergen en reuzenplaneten zijn direct in beeld gebracht. Maar aangezien de meeste van deze ontdekkingen de afgelopen tien jaar zijn gedaan, het team heeft slechts afbeeldingen die overeenkomen met een paar procent van de totale baan van elk object. Ze combineerden hun nieuwe waarnemingen van 27 systemen met alle eerdere waarnemingen die door andere astronomen zijn gepubliceerd of die beschikbaar zijn in telescooparchieven.

Op dit punt, computermodellering komt binnen. Co-auteurs van dit artikel hebben geholpen bij het maken van een baan-passende code genaamd "Orbitize!" die Kepler's wetten van planetaire beweging gebruikt om te identificeren welke soorten banen consistent zijn met de gemeten posities, en welke niet.

De code genereert een reeks mogelijke banen voor elke metgezel. De lichte beweging van elke reuzenplaneet of bruine dwerg vormt een "wolk" van mogelijke banen. Hoe kleiner de wolk, hoe meer astronomen de ware baan van de metgezel naderen. En meer datapunten, dat wil zeggen, meer directe beelden van elk object terwijl het ronddraait, zal de vorm van de baan verfijnen.

"In plaats van tientallen of eeuwen te wachten tot een planeet één baan voltooit, we kunnen de kortere basislijn van onze gegevens goedmaken met zeer nauwkeurige positiemetingen, "Zei teamlid Eric Nielsen van Stanford University. "Een onderdeel van Orbitize! die we speciaal hebben ontwikkeld om in gedeeltelijke banen te passen, OFTI [banen voor de ongeduldige], stelde ons in staat om banen te vinden, zelfs voor metgezellen met de langste periode."

Het vinden van de vorm van de baan is de sleutel:objecten met meer cirkelvormige banen zijn waarschijnlijk gevormd als planeten. Dat is, toen een wolk van gas en stof instortte om een ​​ster te vormen, de verre metgezel (en alle andere planeten) gevormd uit een afgeplatte schijf van gas en stof die rond die ster draaide.

Anderzijds, degenen die meer langwerpige banen hebben, zijn waarschijnlijk gevormd als sterren. In dit scenario, een klomp gas en stof stortte in om een ​​ster te vormen, maar het brak in twee klonten. Elke klomp stortte toen in, een die een ster vormt, en de andere een bruine dwerg die rond die ster draait. Dit is in wezen een dubbelstersysteem, zij het met één echte ster en één "mislukte ster".

"Ook al zijn deze metgezellen miljoenen jaren oud, de herinnering aan hoe ze gevormd zijn, is nog steeds gecodeerd in hun huidige excentriciteit, " Nielsen added. Eccentricity is a measure of how circular or elongated an object's orbit is.

The results of the team's study of 27 distant companions was unambiguous.

"The punchline is, we found that when you divide these objects at this canonical boundary of more than about 15 Jupiter masses, the things that we've been calling planets do indeed have more circular orbits, as a population, compared to the rest, " Bowler said. "And the rest look like binary stars."

The future of this work involves both continuing to monitor these 27 objects, as well as identifying new ones to widen the study. "The sample size is still modest, momenteel, " Bowler said. His team is using the Gaia satellite to look for additional candidates to follow up using direct imaging with even greater sensitivity at the forthcoming Giant Magellan Telescope (GMT) and other facilities. UT-Austin is a founding member of the GMT collaboration.

Bowler's team's results reinforce similar conclusions recently reached by the GPIES direct imaging survey with the Gemini Planet Imager, which found evidence for a different formation channel for brown dwarfs and giant planets based on their statistical properties.