Een internationale groep astronomen, onder leiding van Martin Schlecker van het Max Planck Instituut voor Astronomie, heeft ontdekt dat de opstelling van rotsachtige, gasvormige en ijzige planeten in planetaire systemen is blijkbaar niet willekeurig en hangt af van slechts enkele beginvoorwaarden. De studie, die zal verschijnen in het wetenschappelijke tijdschrift Astronomie en astrofysica , is gebaseerd op een nieuwe simulatie die de evolutie van planetaire systemen over meerdere miljarden jaren volgt. Planetaire systemen rond zonachtige sterren, die in hun binnenste regio's superaarde produceren met een laag water- en gasgehalte, vormen heel vaak een planeet die vergelijkbaar is met onze Jupiter in een buitenbaan. Dergelijke planeten helpen potentieel gevaarlijke objecten weg te houden van de binnenste regionen.

Wetenschappers vermoeden dat de planeet Jupiter een belangrijke rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van het leven op aarde, omdat de zwaartekracht ervan potentieel gevaarlijke asteroïden en kometen op hun banen vaak afbuigt in de zone van rotsachtige planeten op een manier die het aantal catastrofale botsingen vermindert. Deze omstandigheid roept dan ook herhaaldelijk de vraag op of een dergelijke combinatie van planeten nogal willekeurig is, of dat het een veelvoorkomend resultaat is van de vorming van planetenstelsels.

Droge superaarde en koude Jupiters

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, de Universiteit van Bern en de Universiteit van Arizona hebben nu sterk bewijs gevonden dat rotsachtige planeten vergelijkbaar met de aarde opvallend vaak voorkomen samen met een Jupiter-achtige planeet die zich in een brede baan om de aarde bevindt.

"We noemen zulke gasreuzen koude Jupiters. Ze groeien op een afstand van de centrale ster, waar water bestaat in de vorm van ijs, " legt Martin Schlecker uit, een doctoraatsstudent aan het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, die de studie leidde. De bestudeerde aardachtige planeten zijn zogenaamde droge superaardes, d.w.z., rotsachtige planeten die groter en massiever zijn dan de aarde, die slechts een dunne atmosfeer hebben en nauwelijks water of ijs. Ze bevolken de innerlijke, d.w.z., gematigde zone van de planetenstelsels en lijken erg op de aarde, afgezien van hun grootte. "Ook, de aarde is, ondanks de enorme oceanen en de poolgebieden, met een volumefractie voor water van slechts 0,12% al met al een droge planeet, ' merkt Schlecker op.

Het vinden van een koude Jupiter samen met een ijsrijke superaarde in het binnengebied is daarom bijna onmogelijk. Verder, gespannen, uitgebreide gasomhulsels worden voornamelijk gevonden in massieve superaarde.

Simulaties geven inzicht in moeilijk meetbare processen

Deze conclusies zijn gebaseerd op een statistische evaluatie van nieuwe simulaties van 1000 planetenstelsels die evolueren in een protoplanetaire schijf rond een zonachtige ster. Deze simulaties zijn de nieuwste prestatie in een langdurige samenwerking tussen de Universiteit van Bern en MPIA om de oorsprong van planeten vanuit een theoretisch perspectief te bestuderen. Uitgaande van willekeurige beginvoorwaarden, bijv. voor de massa's van gas en vaste stof, de grootte van de schijf en de posities van de zaadcellen van nieuwe planeten, de wetenschappers volgden de levenscyclus van deze systemen gedurende meerdere miljarden jaren. "Tijdens de simulaties de planetaire embryo's verzamelden materiaal, groeide uit tot planeten, hun banen veranderden, in botsing kwamen of uit het systeem werden geslingerd, " Christoph Mordasini van de Universiteit van Bern en co-auteur van het onderzoekspaper beschrijft de gesimuleerde processen. De gesimuleerde planetaire systemen hadden uiteindelijk planeten van verschillende groottes, massa's en composities op verschillende banen rond de centrale ster.

Hubert Klahr, hoofd van de werkgroep over de theorie van planeetvorming bij MPIA, legt uit:"Dergelijke simulaties ondersteunen het onderzoek naar exoplanetaire systemen, aangezien planeten zoals koude Jupiters veel tijd nodig hebben om hun moederster in hun brede banen te draaien." Dit maakt het moeilijk om ze door observatie te vinden, dus de zoektocht naar exoplaneten weerspiegelt niet realistisch de feitelijke samenstelling van planetaire systemen. Astronomen hebben meer kans om planeten met een hoge massa te vinden in nauwe banen rond sterren met een lage massa. "Simulaties, anderzijds, zijn in principe onafhankelijk van dergelijke beperkingen, ", voegt Klahr eraan toe.

Waarnemingen en simulaties komen niet overeen

"We wilden een verrassende bevinding verifiëren na observaties die de afgelopen jaren zijn gedaan dat planetaire systemen met een koude Jupiter bijna altijd een superaarde bevatten, " zegt Schlecker. Omgekeerd, ongeveer 30% van alle planetenstelsels waarin superaarde wordt gevormd, lijkt ook een koude Jupiter te hebben. Het zou aannemelijk zijn te verwachten dat massieve planeten meer kans hebben om planetenstelsels tijdens hun vorming zodanig te verstoren dat de vorming van andere planeten wordt belemmerd. Echter, deze koude Jupiters lijken voldoende ver van het interieur verwijderd te zijn, zodat hun invloed op de ontwikkeling vrij klein lijkt.

Echter, de evaluatie van de gesimuleerde planetenstelsels kon deze trend niet bevestigen. Slechts een derde van alle koude Jupiters werd vergezeld door ten minste één superaarde. Verder, astronomen vonden een koude Jupiter in slechts 10% van alle synthetische planetaire systemen met superaarde. Dus, de simulaties laten zien dat zowel superaarde als koude Jupiters slechts iets meer kans hebben om samen in een planetair systeem voor te komen dan wanneer ze alleen zouden verschijnen. De wetenschappers schrijven dit resultaat toe aan verschillende redenen.

Een verklaring heeft te maken met de snelheid waarmee gasplaneten geleidelijk naar binnen migreren. Planeetvormingstheorie lijkt hogere snelheden te voorspellen dan waargenomen, wat leidt tot een verhoogde accumulatie van gasreuzen op banen op middellange afstand. In de simulaties deze "warme Jupiters" interfereren met de binnenbanen en zorgen ervoor dat meer superaardes worden uitgeworpen of zelfs in gigantische botsingen botsen. Met een iets lagere neiging van de gesimuleerde gasplaneten om te migreren, meer van de superaarde zouden overblijven, wat beter aansluit bij de waarnemingen.

Simulaties voorspellen toekomstige ontdekkingen

Nutsvoorzieningen, de waarnemingen maken slechts grofweg onderscheid tussen verschillende soorten superaarde, omdat hun exacte karakterisering nauwkeurige metingen zou vereisen die met de huidige instrumenten nauwelijks mogelijk zijn. In de simulaties van de Bern-Heidelberg-groep, echter, dit wordt bereikt door het pad van een planeet binnen de protoplanetaire schijf en de ontmoetingen met andere planeten te volgen. "We hebben een aanzienlijke overmaat aan planetaire systemen gevonden die zowel een koude Jupiter als ten minste één droge superaarde bevatten, d.w.z., met weinig water of ijs, en hooguit een ijle atmosfeer, " merkt Schlecker op. Een vergelijking met waarnemingsgegevens is moeilijk, vanwege de ongeveer 3200 planetenstelsels die tot nu toe bekend zijn, slechts 24 zijn bewezen vergelijkbaar te zijn met een dergelijke constellatie. Hoe dan ook, de beschikbare resultaten komen goed overeen. Anderzijds, er zijn nauwelijks planetenstelsels waarin superaarde met veel ijs en een koude Jupiter tegelijkertijd bestaan.

Op basis van deze bevindingen, de astronomen van deze studie hebben een scenario ontwikkeld dat de vorming van deze heel verschillende soorten planetenstelsels zou kunnen verklaren. Zoals de simulaties laten zien, het uiteindelijke sterrenbeeld wordt voornamelijk bepaald door de massa van de protoplanetaire schijf, d.w.z., de hoeveelheid materiaal die beschikbaar is voor de aanwas van planeten.

In schijven met gemiddelde massa is er niet genoeg materiaal in de binnenste, warme regio om superaarde te produceren. Tegelijkertijd, de hoeveelheid is ook te klein in de buitenste delen voorbij de sneeuwgrens, waar water in bevroren vorm aanwezig is en het aandeel ijsbrokken vrij groot is, om massieve planeten zoals Jupiter te vormen. In plaats daarvan, het materiaal daar condenseert tot superaarde met een hoog aandeel ijs met een mogelijk verlengde gasomhulling. Deze superaardes migreren geleidelijk naar binnen. In tegenstelling tot, er is genoeg materiaal in massieve schijven om zowel aardachtige rotsplaneten op gematigde afstanden van de centrale ster als koude reuzenplaneten buiten de sneeuwgrens te vormen. Deze rotsachtige planeten zijn arm aan ijs en gas. Buiten de baan van de koude Jupiter, ijsrijke superaardes kunnen ontstaan, maar hun migratie in radiale richting wordt beperkt door de invloed van de reuzenplaneet. Daarom, ze kunnen het innerlijke niet binnengaan, warme zone.

Het verifiëren van de voorspelling is pas over een paar jaar mogelijk

Echter, het zal alleen mogelijk zijn om dit concept te verifiëren met krachtige telescopen zoals de Extremely Large Telescope (ELT) van de European Southern Observatory of de James Webb Space Telescope (JWST). Beide zullen naar verwachting binnen dit decennium operationeel zijn. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

In principe, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Dus, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Echter, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Om deze reden, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.