Astronomen hebben een nieuwe exoplaneet gevonden die de staande theorie van planeetvorming zou kunnen veranderen. Met een massa die tussen die van Neptunus en Saturnus ligt, en zijn locatie buiten de "sneeuwgrens" van zijn gastster, een buitenaardse wereld van deze schaal zou zeldzaam zijn.

Aparna Bhattacharya, een postdoctoraal onderzoeker van de Universiteit van Maryland en het Goddard Space Flight Center (GSFC) van NASA, leidde het team dat de ontdekking deed, die vandaag werd aangekondigd tijdens een persconferentie op de 233e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle.

Met behulp van de nabij-infraroodcamera, instrument van de tweede generatie (NIRC2) op de 10-meter Keck II-telescoop van het W. M. Keck Observatory op Maunakea, Hawaii en het instrument Wide Field Camera 3 (WFC3) op de Hubble-ruimtetelescoop, de onderzoekers namen gelijktijdig hoge resolutie beelden van de exoplaneet, genaamd OGLE-2012-BLG-0950Lb, waardoor ze de massa kunnen bepalen.

"We waren verrast om te zien dat de massa precies in het midden van de voorspelde tussenliggende massale afstand van de gigantische planeet naar buiten kwam, "zei Bhattacharya. "Het is alsof je een oase vindt in het midden van de exoplaneetwoestijn!"

"Ik was erg blij met hoe snel Aparna de analyse voltooide, " zei co-auteur David Bennett, een senior onderzoeker aan de Universiteit van Maryland en GSFC. "Ze moest een aantal nieuwe methoden ontwikkelen om deze gegevens te analyseren - een soort analyse die nog nooit eerder was gedaan."

In een griezelige timing van gebeurtenissen, een ander team van astronomen (waaronder Bhattacharya en Bennett) publiceerde bijna tegelijkertijd een statistische analyse die aantoonde dat dergelijke sub-Saturnus-massaplaneten toch niet zeldzaam zijn.

"We waren net klaar met de analyse toen de massametingen van OGLE-2012-BLG-0950Lb binnenkwamen, " zei hoofdauteur Daisuke Suzuki van het Japanse Institute of Space and Astronautical Science. "Deze planeet bevestigde onze interpretatie van de statistische studie."

De resultaten van de teams op OGLE-2012-BLG-0950Lb zijn gepubliceerd in het decembernummer van The Astronomisch tijdschrift en de statistische studie werd gepubliceerd in het nummer van 20 december van de Astrofysische journaalbrieven .

OGLE-2012-BLG-0950Lb was een van de sub-Saturnus planeten in de statistische studie; allemaal werden gedetecteerd door middel van microlensing, de enige methode die momenteel gevoelig genoeg is om planeten te detecteren met minder dan de massa van Saturnus in Jupiter-achtige banen.

Microlensing maakt gebruik van een gevolg van Einsteins algemene relativiteitstheorie:de buiging en vergroting van licht in de buurt van een massief object zoals een ster, het produceren van een natuurlijke lens op de lucht. In het geval van OGLE-2012-BLG-0950Lb, het licht van een verre achtergrondster werd in de loop van twee maanden vergroot door OGLE-2012-BLG-0950L (de gastster van de exoplaneet) terwijl het bijna perfecte uitlijning aan de hemel met de achtergrondster passeerde.

Door het licht tijdens het uitlijnen zorgvuldig te analyseren, een onverwachte dimming met een duur van ongeveer een dag werd waargenomen, het onthullen van de aanwezigheid van OGLE-2012-BLG-0950Lb via zijn eigen invloed op de lensing.

Methodologie

OGLE-2012-BLG-0950Lb werd voor het eerst gedetecteerd door de microlensing-surveytelescopen van het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) en de samenwerkingen Microlensing Observations in Astrophysics (MOA).

Het team van Bhattacharya voerde vervolgens vervolgobservaties uit met behulp van het krachtige adaptieve optische systeem van Keck Observatory in combinatie met NIRC2.

"De Keck-waarnemingen stelden ons in staat om te bepalen dat de sub-Saturnus of super-Neptunus-planeet een massa heeft van 39 keer die van de aarde, en dat zijn moederster 0,58 keer de massa van de zon is, " zei Bennett. "Ze maten de afstand tussen het planetenstelsel op de voorgrond en de achtergrondster. Dit stelde ons in staat om de volledige geometrie van de microlensing-gebeurtenis uit te werken. Zonder deze gegevens, we kenden alleen de ster-planeet massaverhouding, niet de individuele massa."

Voor het statistisch onderzoek Suzuki's team en MOA analyseerden de eigenschappen van 30 sub-Saturnus planeten gevonden door microlensing en vergeleken ze met voorspellingen van de kernaanwastheorie.

De theorie uitdagen

Het unieke van de microlensmethode is de gevoeligheid voor sub-Saturnus planeten zoals OGLE-2012-BLG-0950Lb die voorbij de "sneeuwlijn" van hun gastheersterren cirkelen.

De sneeuwgrens, of vorstlijn, is de afstand in een jong zonnestelsel, (ook wel een protoplanetaire schijf genoemd) waar het koud genoeg is om water tot ijs te laten condenseren. Op en voorbij de sneeuwgrens is er een dramatische toename van de hoeveelheid vast materiaal die nodig is voor planeetvorming. Volgens de kernaanwastheorie, Men denkt dat de vaste stoffen zich eerst ophopen in planetaire kernen door chemische en vervolgens door zwaartekrachtsprocessen.

"Een sleutelproces van de kernaanwastheorie wordt "op hol geslagen gasaanwas genoemd, "zei Bennett. "Er wordt aangenomen dat gigantische planeten hun vormingsproces beginnen door een kernmassa van ongeveer 10 keer de aardmassa te verzamelen in gesteente en ijs. In dit stadium, een langzame accretie van waterstof en heliumgas begint totdat de massa is verdubbeld. Vervolgens, de aanwas van waterstof en helium zal naar verwachting exponentieel versnellen in dit op hol geslagen gasaanwasproces. Dit proces stopt wanneer de voorraad is uitgeput. Als de gastoevoer wordt stopgezet voordat de op hol geslagen aanwas stopt, we krijgen "mislukte Jupiter"-planeten met massa's van 10-20 aardmassa's (zoals Neptunus)."

Het op hol geslagen gasaanwasscenario van de kernaanwastheorie voorspelt dat planeten zoals OGLE-2012-BLG-0950Lb naar verwachting zeldzaam zullen zijn. Met 39 keer de massa van de aarde, van planeten van deze omvang wordt aangenomen dat ze een fase van snelle groei doormaken, eindigend op een veel massievere planeet. Dit nieuwe resultaat suggereert dat het op hol geslagen groeiscenario wellicht moet worden herzien.

Het team van Suzuki vergeleek de verdeling van de massaverhoudingen van planeet-ster gevonden door microlens met verdelingen voorspeld door de kernaanwastheorie.

Ze ontdekten dat het op hol geslagen gasaanwasproces van de kernaccretietheorie ongeveer 10 keer minder reuzenplaneten met middelzware massa voorspelt, zoals OGLE-2012-BLG-0950Lb dan wordt gezien in de microlensing-resultaten.

Deze discrepantie impliceert dat bij de vorming van gasreuzen mogelijk processen betrokken zijn die door bestaande kernaanwasmodellen over het hoofd zijn gezien, of dat de planeetvormende omgeving aanzienlijk varieert als functie van de massa van de gastheerster.

Volgende stappen

This discovery has not only called into question an established theory, it was made using a new technique that will be a key part of NASA's next big planet finding mission, the Wide Field Infra-Red Survey Telescope (WFIRST), which is scheduled to launch into orbit in the mid-2020s.

"This is exactly the method that WFIRST will use to measure the masses of the planets that it discovers with its exoplanet microlensing survey. Until WFIRST comes online, we need to develop this method with observations from our Keck Key Strategic Mission Support (KSMS) program as well as observations from Hubble, " said Bennett.

"It's very exciting to see Keck and Hubble combine forces to provide this surprising new result, " said Keck Observatory Chief Scientist John O'Meara. "And it's equally exciting to know that we can make these kind of advances today to help facilitate the best science from WFIRST and Keck's partnership in the future."

The NASA Keck KSMS program will continue to make follow-up observations of microlensing events detected by telescopes on the ground and in space.