Terwijl planeten zich vormen in het kolkende gas en stof rond jonge sterren, er lijkt een goede plek te zijn waar de meeste van de grote, Jupiter-achtige gasreuzen komen samen, gecentreerd rond de baan waar Jupiter vandaag in ons eigen zonnestelsel zit.

De locatie van deze goede plek is tussen de 3 en 10 keer de afstand tussen de aarde en onze zon (3-10 astronomische eenheden, of AU). Jupiter is 5,2 AU verwijderd van onze zon.

Dat is slechts een van de conclusies van een ongekende analyse van 300 sterren die zijn vastgelegd door de Gemini Planet Imager, of GPI, een gevoelige infrarooddetector gemonteerd op de 8-meter Gemini South-telescoop in Chili.

De GPI Exoplanet Survey, of GPIES, is een van de twee grote projecten die rechtstreeks naar exoplaneten zoeken, door het licht van sterren te blokkeren en de planeten zelf te fotograferen, in plaats van te zoeken naar veelbetekenende schommelingen in de ster - de radiale snelheidsmethode - of naar planeten die voor de ster kruisen - de transittechniek. De GPI-camera is gevoelig voor de warmte die wordt afgegeven door recent gevormde planeten en bruine dwergen, die massiever zijn dan gasreuzen, maar nog steeds te klein om fusie te doen ontbranden en sterren te worden.

De analyse van de eerste 300 van de meer dan 500 door GPIES ondervraagde sterren, gepubliceerd op 12 juni in de Het astronomische tijdschrift , "is een mijlpaal, " zei Eugene Chiang, een UC Berkeley hoogleraar astronomie en lid van de theoriegroep van de samenwerking. "We hebben nu uitstekende statistieken over hoe vaak planeten voorkomen, hun massaverdeling en hoe ver ze van hun sterren verwijderd zijn. Het is de meest uitgebreide analyse die ik op dit gebied heb gezien."

De studie vormt een aanvulling op eerdere onderzoeken naar exoplaneten door planeten tussen 10 en 100 AU te tellen, een bereik waarin het onwaarschijnlijk is dat de Kepler Space Telescope-transitonderzoek en radiale snelheidswaarnemingen planeten zullen detecteren. Het werd geleid door Eric Nielsen, een onderzoekswetenschapper aan het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology aan de Stanford University, en meer dan 100 onderzoekers bij 40 instellingen wereldwijd betrokken, waaronder de Universiteit van Californië, Berkeley.

Een nieuwe planeet, een nieuwe bruine dwerg

Sinds de GPIES-enquête vijf jaar geleden begon, het team heeft zes planeten en drie bruine dwergen in een baan om deze 300 sterren in beeld gebracht. Het team schat dat ongeveer 9 procent van de massieve sterren gasreuzen hebben tussen de 5 en 13 Jupiter-massa's buiten een afstand van 10 AE, en minder dan 1 procent heeft bruine dwergen tussen 10 en 100 AU.

De nieuwe dataset geeft belangrijk inzicht in hoe en waar massieve objecten worden gevormd binnen planetaire systemen.

"Als je uitgaat van de centrale ster, reuzenplaneten komen vaker voor. Rond 3 tot 10 AU, het voorkomen piekt, Chiang zei. "We weten dat het pieken omdat de Kepler en radiale snelheidsonderzoeken een stijging van de snelheid vinden, gaande van hete Jupiters heel dicht bij de ster naar Jupiters op een paar AU van de ster. GPI heeft het andere uiteinde ingevuld, gaande van 10 naar 100 AU, en het vinden dat de frequentie van voorkomen daalt; de reuzenplaneten vind je vaker bij 10 dan bij 100. Als je alles bij elkaar optelt, er is een goede plek voor het voorkomen van reuzenplaneten rond de 3 tot 10 AU."

"Met toekomstige observatoria, met name de Thirty-Meter Telescope en ambitieuze ruimtemissies, we zullen beginnen met het in beeld brengen van de planeten die zich op de goede plek bevinden voor zonachtige sterren, " zei teamlid Paul Kalas, een UC Berkeley adjunct-hoogleraar sterrenkunde.

Het exoplaneetonderzoek ontdekte slechts één voorheen onbekende planeet - 51 Eridani b, bijna drie keer de massa van Jupiter - en een voorheen onbekende bruine dwerg - HR 2562 B, met een gewicht van ongeveer 26 Jupiter-massa's. Geen van de afgebeelde reuzenplaneten bevond zich rond zonachtige sterren. In plaats daarvan, gigantische gasplaneten werden alleen ontdekt rond zwaardere sterren, minstens 50 procent groter dan onze zon, of 1,5 zonsmassa's.

"Gezien wat wij en andere onderzoeken tot nu toe hebben gezien, ons zonnestelsel lijkt niet op andere zonnestelsels, " zei Bruce Macintosh, de hoofdonderzoeker voor GPI en een professor in de natuurkunde aan Stanford. "We hebben niet zoveel planeten die zo dicht bij de zon zijn verpakt als bij hun sterren en we hebben nu voorlopig bewijs dat een andere manier waarop we misschien zeldzaam zijn, is het hebben van dit soort Jupiter-en-up planeten."

"Het feit dat reuzenplaneten vaker voorkomen rond sterren die zwaarder zijn dan zonachtige sterren, is een interessante puzzel, ' zei Chiang.

Omdat veel sterren die aan de nachtelijke hemel zichtbaar zijn massieve jonge sterren zijn die A-sterren worden genoemd, dit betekent dat "de sterren die je met je oog aan de nachtelijke hemel kunt zien, meer kans hebben om planeten met Jupiter-massa om zich heen te hebben dan de zwakkere sterren waarvoor je een telescoop nodig hebt om te zien, " zei Kalas. "Dat is best wel cool."

De analyse laat ook zien dat gasreuzen en bruine dwergen, terwijl schijnbaar op een continuüm van toenemende massa, kunnen twee verschillende populaties zijn die zich op verschillende manieren hebben gevormd. De gasreuzen, tot ongeveer 13 keer de massa van Jupiter, lijken te zijn gevormd door aanwas van gas en stof op kleinere objecten - van onderaf. Bruine dwergen, tussen 13 en 80 Jupiter-massa's, gevormd als sterren, door zwaartekrachtinstorting - van boven naar beneden - in dezelfde wolk van gas en stof die de sterren heeft doen ontstaan.

"Ik denk dat dit het duidelijkste bewijs is dat we hebben dat deze twee groepen objecten, planeten en bruine dwergen, anders vormen, "zei Chiang. "Het zijn echt appels en peren."

Directe beeldvorming is de toekomst

De Gemini Planet Imager kan planeten rond verre sterren scherp in beeld brengen, dankzij extreem adaptieve optica, die snel turbulentie in de atmosfeer detecteert en vervaging vermindert door de vorm van een flexibele spiegel aan te passen. Het instrument detecteert de warmte van lichamen die nog gloeien van hun eigen interne energie, zoals exoplaneten die groot zijn, tussen 2 en 13 keer de massa van Jupiter, en jong, minder dan 100 miljoen jaar oud, vergeleken met de leeftijd van onze zon van 4,6 miljard jaar. Ook al blokkeert het het meeste licht van de centrale ster, de schittering beperkt GPI nog steeds tot het zien van alleen planeten en bruine dwergen ver van de sterren waar ze omheen draaien, tussen ongeveer 10 en 100 AU.

Het team is van plan om gegevens over de resterende sterren in het onderzoek te analyseren, hopend op meer inzicht in de meest voorkomende soorten en maten planeten en bruine dwergen.

Chiang merkte op dat het succes van GPIES laat zien dat directe beeldvorming steeds belangrijker zal worden in de studie van exoplaneten, vooral om hun vorming te begrijpen.

"Directe beeldvorming is de beste manier om bij jonge planeten te komen, " zei hij. "Wanneer jonge planeten worden gevormd, hun jonge sterren zijn te actief, te zenuwachtig, for radial velocity or transit methods to work easily. But with direct imaging, seeing is believing."