De kernmassa van de gigantische exoplaneet WASP-107b is veel lager dan wat nodig werd geacht om de immense gasomhulling rond gigantische planeten zoals Jupiter en Saturnus op te bouwen, astronomen van de Université de Montréal hebben gevonden.

Deze intrigerende ontdekking door Ph.D. student Caroline Piaulet van UdeM's Institute for Research on Exoplanets (iREx) suggereert dat gasreuzen veel gemakkelijker ontstaan ​​dan eerder werd aangenomen.

Piaulet maakt deel uit van het baanbrekende onderzoeksteam van UdeM-hoogleraar astrofysica Björn Benneke, dat in 2019 de eerste detectie van water op een exoplaneet in de bewoonbare zone van zijn ster aankondigde.

Vandaag gepubliceerd in de Astronomisch tijdschrift met collega's in Canada, de VS, Duitsland en Japan, de nieuwe analyse van de interne structuur van WASP-107b "heeft grote implicaties, ' zei Benneke.

"Dit werk behandelt de fundamenten van hoe reuzenplaneten zich kunnen vormen en groeien, " zei hij. "Het levert concreet bewijs dat massale aanwas van een gasomhulling kan worden geactiveerd voor kernen die veel minder massief zijn dan eerder werd gedacht."

Zo groot als Jupiter maar 10 keer lichter

WASP-107b werd voor het eerst ontdekt in 2017 rond WASP-107, een ster op ongeveer 212 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Maagd. De planeet staat heel dicht bij zijn ster - meer dan 16 keer dichter dan de aarde bij de zon. Zo groot als Jupiter maar 10 keer lichter, WASP-107b is een van de minst dichte exoplaneten die we kennen:een type dat astrofysici "super-puff"- of "suikerspin"-planeten hebben genoemd.

Piaulet en haar team gebruikten voor het eerst waarnemingen van WASP-107b die zijn verkregen bij het Keck Observatorium in Hawaï om de massa nauwkeuriger te beoordelen. Ze gebruikten de radiale snelheidsmethode, waarmee wetenschappers de massa van een planeet kunnen bepalen door de wiebelbeweging van zijn moederster te observeren als gevolg van de zwaartekracht van de planeet. Ze concludeerden dat de massa van WASP-107b ongeveer een tiende van die van Jupiter is, of ongeveer 30 keer die van de aarde.

Het team deed vervolgens een analyse om de meest waarschijnlijke interne structuur van de planeet te bepalen. Ze kwamen tot een verrassende conclusie:met zo'n lage dichtheid, de planeet moet een vaste kern hebben van niet meer dan vier keer de massa van de aarde. Dit betekent dat meer dan 85 procent van zijn massa is opgenomen in de dikke laag gas die deze kern omringt. Ter vergelijking, Neptunus, die een vergelijkbare massa heeft als WASP-107b, heeft slechts 5 tot 15 procent van zijn totale massa in zijn gaslaag.

"We hadden veel vragen over WASP-107b, ' zei Piaulet. 'Hoe kan een planeet met zo'n lage dichtheid ontstaan? En hoe zorgde het ervoor dat zijn enorme laag gas niet ontsnapte, vooral gezien de nabijheid van de planeet tot zijn ster?

"Dit motiveerde ons om een ​​grondige analyse te doen om de vormingsgeschiedenis te bepalen."

Een gasreus in wording

Planeten vormen zich in de schijf van stof en gas die een jonge ster, een protoplanetaire schijf, omringt. Klassieke modellen van de vorming van gasreuzen zijn gebaseerd op Jupiter en Saturnus. In deze, een vaste kern die minstens 10 keer zwaarder is dan de aarde is nodig om een ​​grote hoeveelheid gas op te hopen voordat de schijf verdwijnt.

Zonder een massieve kern, van gasreuzenplaneten werd niet gedacht dat ze de kritische drempel konden overschrijden die nodig is om hun grote gasomhulsels op te bouwen en vast te houden.

Hoe verklaart u dan het bestaan ​​van WASP-107b, die een veel minder massieve kern heeft? McGill University-professor en iREx-lid Eve Lee, een wereldberoemde expert op het gebied van superpuff planeten zoals WASP-107b, heeft meerdere hypothesen.

"Voor WASP-107b, het meest plausibele scenario is dat de planeet ver van de ster is gevormd, waar het gas in de schijf koud genoeg is dat gasophoping zeer snel kan optreden, zei ze. "De planeet kon later naar zijn huidige positie migreren, hetzij door interacties met de schijf of met andere planeten in het systeem."

Ontdekking van een tweede planeet, WASP-107c

De Keck-waarnemingen van het WASP-107-systeem beslaan een veel langere periode dan eerdere onderzoeken, waardoor het door UdeM geleide onderzoeksteam een ​​aanvullende ontdekking kan doen:het bestaan ​​van een tweede planeet, WASP-107c, met een massa van ongeveer een derde van die van Jupiter, aanzienlijk meer dan die van WASP-107b.

WASP-107c bevindt zich ook veel verder van de centrale ster; het duurt drie jaar om er één omheen te draaien, vergeleken met slechts 5,7 dagen voor WASP-107b. Ook interessant:de excentriciteit van deze tweede planeet is hoog, wat betekent dat zijn baan rond zijn ster meer ovaal dan cirkelvormig is.

"WASP-107c heeft in sommige opzichten de herinnering aan wat er is gebeurd in zijn systeem bewaard, "zei Piaulet. "De grote excentriciteit verwijst naar een nogal chaotisch verleden, met interacties tussen de planeten die tot aanzienlijke verplaatsingen hadden kunnen leiden, zoals degene die verdacht wordt van WASP-107b."

Nog een aantal vragen

Voorbij zijn vormingsgeschiedenis, er zijn nog steeds veel mysteries rond WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise:it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant, " said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets, " she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower:a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration, " by Caroline Piaulet et al., was posted today in the  Astronomisch tijdschrift .