Astronomen met de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hebben ontdekt dat de chemische samenstelling van een ster een onverwachte invloed kan uitoefenen op zijn planetenstelsel - een ontdekking die mogelijk is gemaakt door een doorlopend SDSS-onderzoek van sterren gezien door NASA's Kepler-ruimtevaartuig, en een die belooft ons begrip van hoe extrasolaire planeten zich vormen en evolueren uit te breiden.

"Zonder deze gedetailleerde en nauwkeurige metingen van het ijzergehalte van sterren, we hadden deze meting nooit kunnen maken, " zegt Robert Wilson, een afgestudeerde student astronomie aan de Universiteit van Virginia en hoofdauteur van het artikel dat de resultaten aankondigt.

Het team presenteerde hun resultaten vandaag op de bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in National Harbor, Maryland. Met behulp van SDSS-gegevens, ze ontdekten dat sterren met een hogere ijzerconcentratie de neiging hebben planeten te herbergen die vrij dicht bij hun moederster draaien - vaak met een omlooptijd van minder dan ongeveer acht dagen - terwijl sterren met minder ijzer de neiging hebben planeten te herbergen met langere perioden die verder van elkaar verwijderd zijn. hun gastster. Nader onderzoek van dit effect kan ons helpen de volledige verscheidenheid aan extrasolaire planetaire systemen in onze Melkweg te begrijpen, en licht werpen op waarom planeten worden gevonden waar ze zijn.

Het verhaal van planeten rond zonachtige sterren begon in 1995, toen een team van astronomen een enkele planeet ontdekte die op 50 lichtjaar van de aarde rond een zonachtige ster cirkelde. Het tempo van ontdekkingen versnelde in 2009 toen NASA het Kepler-ruimtevaartuig lanceerde, een ruimtetelescoop ontworpen om planeten buiten het zonnestelsel te zoeken. Tijdens zijn vierjarige primaire missie, Kepler bewaakte duizenden sterren tegelijk, kijken naar het kleine dimmen van sterlicht dat aangeeft dat een planeet voor zijn moederster passeert. En omdat Kepler jarenlang naar dezelfde sterren keek, het zag hun planeten keer op keer, en was zo in staat om de tijd te meten die de planeet nodig heeft om om zijn ster te draaien. Deze informatie onthult de afstand van ster tot planeet, met dichterbij gelegen planeten die sneller in een baan om de aarde draaien dan verder gelegen planeten. Dankzij de onvermoeibare monitoring van Kepler, het aantal exoplaneten met bekende omlooptijden nam dramatisch toe, van ongeveer 400 in 2009 tot meer dan 3, 000 vandaag.

Hoewel Kepler perfect was ontworpen om planeten buiten het zonnestelsel te spotten, het was niet ontworpen om meer te weten te komen over de chemische samenstelling van de sterren waaromheen die planeten draaien. Die kennis komt van het Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) van de SDSS, die honderdduizenden sterren over het hele Melkwegstelsel heeft bestudeerd. APOGEE werkt door voor elke ster een spectrum te verzamelen - een meting van hoeveel licht de ster afgeeft bij verschillende golflengten (kleuren) van licht. Omdat atomen van elk chemisch element op hun eigen karakteristieke manier met licht interageren, een spectrum stelt astronomen in staat om niet alleen te bepalen welke elementen een ster bevat, maar ook hoeveel - voor alle elementen, inclusief het belangrijkste element ijzer.

"Alle zonachtige sterren zijn meestal waterstof, maar sommige bevatten meer ijzer dan andere, " zegt Johanna Teske van het Carnegie Instituut voor Wetenschap, een lid van het onderzoeksteam. "De hoeveelheid ijzer die een ster bevat, is een belangrijke aanwijzing voor hoe hij gevormd is en hoe hij zich tijdens zijn leven zal ontwikkelen."

Door gegevens uit deze twee bronnen te combineren - planetaire banen van Kepler en stellaire chemie van APOGEE - hebben astronomen geleerd over de relaties tussen deze "met ijzer verrijkte" sterren en de planetaire systemen die ze bevatten.

"We wisten dat de elementverrijking van een ster van belang zou zijn voor zijn eigen evolutie, " zegt Teske, "Maar we waren verrast om te horen dat het ook van belang is voor de evolutie van zijn planetenstelsel."

Het vandaag gepresenteerde werk bouwt voort op eerder werk, onder leiding van Gijs Mulders van de Universiteit van Arizona, met behulp van een groter maar minder nauwkeurig monster van spectra van het LAMOST-Kepler-project. (LAMOST, de vezelspectroscopische telescoop met groot oppervlak, is een Chinees hemelonderzoek.) Mulders en medewerkers vonden een vergelijkbare trend - planeten die zich dichter bij elkaar bevinden in een baan rond meer ijzerrijke sterren - maar hebben de kritieke periode van acht dagen niet vastgesteld.

"Het is bemoedigend om een ​​onafhankelijke bevestiging te zien van de trend die we in 2016 hebben gevonden, ", zegt Mulders. "De identificatie van de kritieke periode laat echt zien dat Kepler het geschenk is dat blijft geven."

Wat vooral verrassend is aan het nieuwe resultaat, Wilson legde uit, is dat de met ijzer verrijkte sterren slechts ongeveer 25 procent meer ijzer bevatten dan de andere in het monster. "Dat is hetzelfde als vijf-achtste van een theelepel zout toevoegen aan een cupcake-recept waarvoor een halve theelepel zout nodig is, tussen al zijn andere ingrediënten. Ik zou nog steeds die cupcake opeten, " zegt hij. "Dat laat ons echt zien hoe zelfs kleine verschillen in stellaire samenstelling grote gevolgen kunnen hebben voor planetaire systemen."

Maar zelfs met deze nieuwe ontdekking, astronomen zitten met veel onbeantwoorde vragen over hoe planeten buiten het zonnestelsel ontstaan ​​en evolueren, vooral planeten ter grootte van de aarde of iets groter ("superaarde"). Vormen ijzerrijke sterren intrinsiek planeten met kortere banen? Of is de kans groter dat planeten die rond ijzerrijke sterren draaien, zich verder weg vormen en dan migreren naar een kortere periode, dichterbij gelegen banen? Wilson en medewerkers hopen met andere astronomen samen te werken om nieuwe modellen van protoplanetaire schijven te maken om beide verklaringen te testen.

"Ik ben opgewonden dat we nog veel te leren hebben over hoe de chemische samenstellingen van sterren hun planeten beïnvloeden, vooral over hoe kleine planeten ontstaan, "zegt Teske. "Bovendien, APOGEE biedt veel meer stellaire chemische abundanties naast ijzer, dus er zijn waarschijnlijk andere trends begraven in deze rijke dataset die we nog moeten verkennen."