Met behulp van gegevens van meer dan 500 jonge sterren die zijn waargenomen met de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), wetenschappers hebben een direct verband ontdekt tussen protoplanetaire schijfstructuren - de planeetvormende schijven die sterren omringen - en de demografie van planeten. Het onderzoek toont aan dat de kans groter is dat sterren met een hogere massa worden omringd door schijven met "gaten" erin en dat deze gaten rechtstreeks verband houden met het veelvuldig voorkomen van waargenomen gigantische exoplaneten rond dergelijke sterren. Deze resultaten bieden wetenschappers een venster terug in de tijd, waardoor ze konden voorspellen hoe exoplanetaire systemen eruit zagen tijdens elke fase van hun vorming.

"We vonden een sterke correlatie tussen gaten in protoplanetaire schijven en stellaire massa, die kan worden gekoppeld aan de aanwezigheid van grote, gasvormige exoplaneten, zei Nienke van der Marel, een Banting fellow bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Victoria in British Columbia, en de hoofdauteur van het onderzoek. "Sterren met een hogere massa hebben relatief meer schijven met gaten dan sterren met een lagere massa, consistent met de reeds bekende correlaties in exoplaneten, waar sterren met een hogere massa vaker gasreuzen exoplaneten huisvesten. Deze correlaties vertellen ons direct dat gaten in planeetvormende schijven hoogstwaarschijnlijk worden veroorzaakt door gigantische planeten met een massa van Neptunus en hoger."

Hiaten in protoplanetaire schijven worden al lang beschouwd als algemeen bewijs van planeetvorming. Echter, er is enige scepsis geweest vanwege de waargenomen baanafstand tussen exoplaneten en hun sterren. "Een van de belangrijkste redenen waarom wetenschappers eerder sceptisch waren over het verband tussen gaten en planeten, is dat exoplaneten in brede banen van tientallen astronomische eenheden zeldzaam zijn. exoplaneten in kleinere banen, tussen één en tien astronomische eenheden, komen veel vaker voor, zei Gijs Mulders, assistent-professor astronomie aan de Universidad Adolfo Ibáñez in Santiago, Chili, en co-auteur van het onderzoek. "We geloven dat planeten die de gaten opvullen later naar binnen zullen migreren."

De nieuwe studie is de eerste die aantoont dat het aantal schijven met gaten in deze regio's overeenkomt met het aantal gigantische exoplaneten in een stersysteem. "Eerdere studies gaven aan dat er veel meer gapped disks waren dan gedetecteerde gigantische exoplaneten, "zei Mulders. "Onze studie toont aan dat er genoeg exoplaneten zijn om de waargenomen frequentie van de gespleten schijven bij verschillende stellaire massa's te verklaren."

De correlatie geldt ook voor sterrenstelsels met lichte sterren, waar wetenschappers meer kans hebben om massieve rotsachtige exoplaneten te vinden, ook wel superaarde genoemd. Van der Marel, die begin september 2021 assistent-professor wordt aan de Universiteit Leiden in Nederland, zei:"Sterren met een lagere massa hebben meer rotsachtige superaarden - tussen een massa van de aarde en een massa van Neptunus. Schijven zonder gaten, die compacter zijn, leiden tot de vorming van Super-Earths."

Dit verband tussen stellaire massa en planetaire demografie zou wetenschappers kunnen helpen te identificeren op welke sterren ze zich moeten richten bij het zoeken naar rotsachtige planeten in de hele Melkweg. "Dit nieuwe begrip van de afhankelijkheden van stellaire massa zal helpen bij het zoeken naar kleine, rotsachtige planeten zoals de aarde in de buurt van de zon, " zei Mulders, die ook deel uitmaakt van het door NASA gefinancierde Alien Earths-team. "We kunnen de stellaire massa gebruiken om de planeetvormende schijven rond jonge sterren te verbinden met exoplaneten rond volwassen sterren. Wanneer een exoplaneet wordt gedetecteerd, het planeetvormende materiaal is meestal verdwenen. Dus de stellaire massa is een 'tag' die ons vertelt hoe de planeetvormende omgeving eruit zou kunnen zien voor deze exoplaneten."

En waar het allemaal op neerkomt is stof. "Een belangrijk element van planeetvorming is de invloed van stofevolutie, "zei Van der Marel. "Zonder reuzenplaneten, stof zal altijd naar binnen drijven, het creëren van de optimale omstandigheden voor de vorming van kleinere, rotsachtige planeten dicht bij de ster."

Het huidige onderzoek is uitgevoerd met behulp van gegevens van meer dan 500 objecten die zijn waargenomen in eerdere onderzoeken met ALMA's Band 6- en Band 7-antennes met hoge resolutie. Momenteel, ALMA is de enige telescoop die de verspreiding van millimeterstof in beeld kan brengen met een hoekresolutie die hoog genoeg is om de stofschijven op te lossen en de onderbouw ervan te onthullen, of het ontbreken daarvan. "In de afgelopen vijf jaar ALMA heeft veel snapshots gemaakt van nabije stervormingsgebieden, wat heeft geleid tot honderden metingen van schijfstofmassa, maat, en morfologie, " zei Van der Marel. "Het grote aantal waargenomen schijfeigenschappen heeft ons in staat gesteld een statistische vergelijking te maken van protoplanetaire schijven met de duizenden ontdekte exoplaneten. Dit is de eerste keer dat een stellaire massa-afhankelijkheid van gapped disks en compact disks met succes is aangetoond met behulp van de ALMA-telescoop."

"Onze nieuwe bevindingen koppelen de prachtige spleetstructuren in schijven die met ALMA zijn waargenomen rechtstreeks aan de eigenschappen van de duizenden exoplaneten die zijn gedetecteerd door de NASA Kepler-missie en andere exoplaneetonderzoeken, "zei Mulders. "Exoplaneten en hun vorming helpen ons de oorsprong van de aarde en het zonnestelsel te plaatsen in de context van wat we zien gebeuren rond andere sterren."