Wetenschap
Waar komen al deze schurkenplaneten vandaan?
Er is een populatie planeten die door de ruimte zweeft, ongebonden aan sterren. Ze worden schurkenplaneten of vrij zwevende planeten (FFP's) genoemd. Sommige FFP's vormen eenlingen en hebben nooit genoten van het gezelschap van een ster. Maar de meeste worden op de een of andere manier uit zonnestelsels verdreven, en er zijn verschillende manieren waarop dat kan gebeuren.
Eén onderzoeker probeerde de FFP-populatie te begrijpen en hoe deze tot stand kwam.
FFP's worden in de wetenschappelijke literatuur ook wel geïsoleerde planetaire massa-objecten (iPMO's) genoemd, maar ongeacht welke naam er wordt gebruikt, ze zijn hetzelfde. Deze planeten dwalen op eigen kracht door de interstellaire ruimte, los van elke relatie met sterren of andere planeten.
FFP's zijn mysterieus omdat ze uiterst moeilijk te detecteren zijn. Maar astronomen worden er steeds beter in en krijgen betere hulpmiddelen voor deze taak. In 2021 deden astronomen een vastberaden poging om ze te detecteren in Boven-Scorpius en Ophiuchus en ontdekten ze 70 van hen, mogelijk nog veel meer.
In grote lijnen zijn er twee manieren waarop FFP's kunnen ontstaan. Ze kunnen zich zoals de meeste planeten vormen, in protoplanetaire schijven rond jonge sterren. Deze planeten ontstaan door ophoping van stof en gas. Of ze kunnen zich vormen zoals sterren dat doen door ineen te storten in een wolk van gas en stof die niets met een ster te maken heeft.
Voor planeten die zich rond sterren vormen en uiteindelijk worden uitgestoten, zijn er verschillende uitwerpmechanismen. Ze kunnen worden uitgeworpen door interactie met hun sterren in een dubbelstersysteem, ze kunnen worden uitgeworpen door een stellaire flyby, of ze kunnen worden uitgeworpen door planeet-planeetverstrooiing.
In een poging de FFP-populatie beter te begrijpen, onderzocht een onderzoeker uitgeworpen FFP's. Hij simuleerde schurkenplaneten die het resultaat zijn van planeet-planeet-interacties en planeten die afkomstig zijn van dubbelstersystemen, waar interacties met hun dubbelsterren ze uitwerpen. Zou er een manier kunnen zijn om ze uit elkaar te houden en beter te begrijpen hoe deze objecten ontstaan?
Een nieuw artikel met de titel "Over de eigenschappen van vrij zwevende planeten afkomstig uit omringende planetaire systemen" pakte het probleem aan. De auteur is Gavin Coleman van de afdeling natuurkunde en astronomie van de Queen Mary University in Londen. Het artikel zal worden gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en is beschikbaar op de arXiv preprint-server.
In zijn artikel wijst Coleman erop dat onderzoekers hebben onderzocht hoe FFP's ontstaan, maar dat er nog meer te doen is. "Talrijke werken hebben mechanismen onderzocht om dergelijke objecten te vormen, maar hebben nog geen voorspellingen gedaan over hun distributies die onderscheid zouden kunnen maken tussen vormingsmechanismen", schrijft hij.
Coleman concentreert zich op uitgestoten sterren in plaats van op sterren die zich als schurken hebben gevormd. Hij vermijdt schurkenplaneten die het resultaat zijn van interacties met andere planeten, omdat de verstrooiing tussen planeet en planeet niet zo belangrijk is als bij andere soorten uitwerpingen. ‘Het is de moeite waard om op te merken dat de verstrooiing van planeet-planeet rond afzonderlijke sterren het grote aantal FFP’s dat bij waarnemingen wordt waargenomen niet kan verklaren’, legt Coleman uit.
Coleman richt zich in zijn werk op dubbelstersystemen en hun omringende dubbelplaneten. Uit eerder onderzoek blijkt dat planeten op natuurlijke wijze uit circumbinaire systemen worden uitgeworpen. In zijn onderzoek simuleerde Coleman dubbelstersystemen en hoe planeten die uit deze systemen worden geslingerd zich gedragen. ‘We vinden significante verschillen tussen planeten die worden uitgeworpen door planeet-planeet-interacties en die van dubbelsterren’, schrijft hij.
Coleman baseerde zijn simulaties op een dubbelstersysteem genaamd TOI 1338. TOI 1338 heeft een bekende omringende dubbelplaneet genaamd BEBOP-1. Het gebruik van een bekend dubbelstersysteem met een bevestigde omringende planeet biedt een solide basis voor zijn simulaties. Het stelde hem ook in staat zijn resultaten te vergelijken met andere simulaties op basis van BEBOP-1.
De simulatie varieerde verschillende parameters:de initiële schijfmassa, de binaire scheiding, de sterkte van de externe omgeving en het turbulentieniveau in de schijf. Deze parameters bepalen in sterke mate de planeten die zich vormen. Andere parameters gebruikten slechts één enkele waarde:de gecombineerde stellaire massa, massaverhouding en binaire excentriciteit. De gecombineerde stellaire massa van TOI 1338 bedraagt ongeveer 1,3 zonsmassa, wat overeenkomt met het gemiddelde in binaire systemen van ongeveer 1,5 zonsmassa.
Elke simulatie duurde 10 miljoen jaar, lang genoeg om het zonnestelsel vorm te geven.
Coleman ontdekte dat circumbinaire systemen efficiënt FFP's produceren. In de simulaties werpt elk binair systeem gemiddeld twee tot zeven planeten uit met een massa van meer dan 1 aarde. Voor reuzenplaneten groter dan 100 aardmassa's daalt het aantal uitgeworpen planeten tot 0,6 uitgeworpen planeten per systeem.
Uit de simulaties bleek ook dat de meeste planeten tussen 0,4 en 4 miljoen jaar na het begin van de simulatie uit hun circumbinaire schijven worden geworpen. Op deze leeftijd is de circumbinaire schijf nog niet verdwenen en weggeblazen.
Het belangrijkste resultaat zou de snelheidsspreiding van FFP's kunnen betreffen. ‘Terwijl de planeten uit de systemen worden geslingerd, behouden ze aanzienlijke oversnelheden, tussen 8 en 16 km/s. Dit is veel groter dan de waargenomen snelheidsverschillen van sterren in lokale stervormingsgebieden’, legt Coleman uit. Dit betekent dus dat de snelheidsspreidingen van FFP's kunnen worden gebruikt om uitgeworpen FFP's te onderscheiden van degenen die zich als eenlingen hebben gevormd.
De snelheidsspreidingen bieden een ander inzicht in de FFP-populatie. Coleman's simulaties laten zien dat de snelheidsspreiding van FFP's die worden uitgestoten door interacties met dubbelsterren ongeveer drie keer groter is dan de spreiding van planeten die worden uitgestoten door planeet-planeetverstrooiing.
Coleman ontdekte ook dat de mate van turbulentie in de schijf de uitwerping van de planeet beïnvloedt. Hoe zwakker de turbulentie is, hoe meer planeten er worden uitgeworpen. Turbulentie heeft ook invloed op de massa van uitgeworpen planeten:zwakkere turbulentie werpt minder massieve planeten uit, terwijl ongeveer 96% van de uitgeworpen planeten minder dan 100 aardmassa's hebben.
Alles bij elkaar bieden de simulaties een manier om de FFP-populatie te observeren en hun oorsprong te bepalen. "Verschillen in de verdeling van FFP-massa's, hun frequenties en excessieve snelheden kunnen allemaal aangeven of afzonderlijke sterren of omringende systemen de fundamentele geboorteplaats van FFP's zijn", schrijft Coleman in zijn conclusie.
Maar de auteur erkent ook de nadelen van zijn simulaties en verduidelijkt wat de sims ons niet vertellen.
"Hoewel dit werk talloze simulaties bevat en een brede parameterruimte onderzoekt, vormt het echter geen volledige populatie van zich vormende circumbinaire systemen", schrijft Coleman in zijn conclusie. Volgens Coleman is het met de huidige technologie niet haalbaar om een volledige populatie van deze systemen af te leiden.
"Mocht een dergelijke populatie in toekomstig onderzoek worden uitgevoerd, dan zouden vergelijkingen tussen die populatie en waargenomen populaties een nog waardevoller inzicht geven in de vorming van deze intrigerende objecten", legt hij uit.
Er zijn nog steeds veel astronomen die niets weten over binaire systemen en hoe ze planeten vormen en uitwerpen. Om te beginnen worden modellen voor planeetvorming voortdurend herzien en bijgewerkt met nieuwe informatie.
We hebben ook geen goed idee hoeveel FFP's er zijn. Sommige onderzoekers denken dat het er biljoenen kunnen zijn. De komende Romeinse ruimtetelescoop Nancy Grace zal zwaartekrachtlenzen gebruiken om een telling van exoplaneten uit te voeren, waaronder een steekproef van FFP's met massa's zo klein als die van Mars.
In toekomstig werk wil Coleman bepalen of er verschillen in de chemische samenstelling tussen FFP's bestaan. Dat zou een beperking vormen voor de soorten sterren waar ze zich omheen vormen en waar ze zich in hun protoplanetaire schijven vormen. Daarvoor zouden spectroscopische studies van FFP's nodig zijn.
Maar voorlopig heeft Coleman in ieder geval een stapsgewijs betere manier ontwikkeld om FFP's te begrijpen. Met behulp van deze gegevens kunnen astronomen beginnen te onderscheiden waar individuele FFP's vandaan komen en de populatie als geheel beter begrijpen.