”Super-Jord” i planetsystem kaster nyt lys over planetdannelse

Resultatet fungerer som en slags værktøjskasse ift. at fastslå udviklingshistorien for planeter mere nøjagtigt i fremtiden, gennem at anvende de modeller, forskerne har anvendt her, på nye planetopdagelser.

Det nye planetsystem, som lyder navnet K2-360 befinder sig ca. 750 lysår fra Jorden. Det består af to planeter i kredsløb om en stjerne, meget lig vores egen Sol.

• K2-360b: En ultra kort-periode ”super-Jord” – en klippeplanet, større end Jorden, men mindre end Neptun – omkring 1,6 gange Jordens størrelse, som kredser om stjernen hver 21. time. Med en masse på 7,7 gange Jordens er det den eneste, velbeskrevne planet med så høj densitet, som vi endnu har opdaget.
• K2-360c: En større planet, i en bane længere fra stjernen, mindst 15 gange større end Jorden, som kredser om stjernen hver 9,8 dage. Planeten passerer ikke ind foran stjernen, så det har ikke været muligt at fastslå dens nøjagtige størrelse.

En super-Jord mistede sin kappe

K2-360b’s ekstreme tæthed tyder på, at den måske er kernen af en planet, som tidligere var større, men har mistet sine ydre lag pga intens stråling fra sin nærliggende værtsstjerne.

”Denne planets skæbne giver os indblik i den mulige udvikling for planeter, som ligger tæt i planetsystemer, hvor kun de tunge og tætte klippekerner forbliver efter milliarder af års udvikling”, siger medforfatter Davide Gandolfi fra University of Turin.

Nøglen til at forstå systemet er spillet mellem de to planeter

”Vores dynamiske modeller indikerer, at k2-360c kan have skubbet den indre planet ind til sin nuværende, tætte bane om stjernen, gennem en proces vi kalder ”høj-eccentricitets migration”, siger medforfatter Alessandro Trani, postdoc ved Niels Bohr Institutet.

”Dette involverer vekselvirkninger med tyngdekraften, som først gør den indre planets bane meget elliptisk, før tidevandskræfter langsomt gør den cirkulær tæt på stjernen. Der er også en anden mulighed, nemlig at det der har skubbet banen mod dens cirkulære form er rotationsaksens vinkel på planetbanen”.

Planetsystemers historieskrivning starter med en forudsigelse og ender i nutiden.

Alessandro Trani deltog i skabelsen af de dynamiske modeller, som forsøger at forklare udviklingen: ”Når vores mål er at forstå systemets oprindelse, må vi vurdere dets oprindelige konfiguration og derefter se hvilke setups, som fører til det vi observerer nu. Idet ikke alle indledende betingelser vil genskabe systemets tilstand nu, kører vi mange simulationer over et spænd af mange parametre. Vores kendskab til den afgørende evolutionære mekanisme (migration pga tidevandskræfter) styrer hvilke indledende setups vi ønsker at udforske.

Til slut sammenligner vi simuleringernes output, fx planetens kredsløbs parametre, masse og udviklingen over tid med observationsdata fra kredsløbets fart og transitmetoden – altså hvordan den passerer forbi stjernen. Hvis det simulerede system matcher målingerne og forbliver stabilt, bekræfter det vores forståelse af, at netop disse betingelser og fysiske processer beskriver det rigtige planetsystem.

På den måde kan vi ikke alene sætte en begrænsning på parametre, vi ikke kan observere, men også sammenligne dem med en komplet historie: Ikke bare hvordan planetsystemet er lige nu, men hvordan det blev sådan gennem sin udvikling.

Planetsystemet kan ses som en værktøjskasse

Dette planetsystem er et glimrende laboratorium fordi: Allerførst kan vi observere K2-360b gennem transit-målinger, hvor man samler data om, hvor langvarigt dens passage forbi stjernen er og hvor stort et dyk i lysintensiteten der sker – dermed kan vi fastslå størrelse og kredsløbsperiode.

Data om kredsløb og hastighed – det træk tyngdekraften udøver mellem planet og stjerne – kan anvendes til at beregne dens masse. Disse observationer lader os beregne planetens tæthed – og dermed dens sammensætning. Det viser sig, at k2-360b er en meget tæt super-Jord, rig på jern, hvilket kunne betyde, at den engang har haft en tyk, gasformig atmosfære som forsvandt på grund af tidevandskræfter og stråling fra stjernen. Dét vi ser nu er planetens nøgne kerne.

For det andet er eksistensen af en ydre planet, K2-360c, med til at forsyne os med afgørende spor til at forstå de mange dannelses- og udviklingsmuligheder indenfor systemet. Vi kan teste forskellige migrationsscenarier og se om de matcher vores observationer.

Uden den evidens k2-360c giver, kunne vi kun gætte på hvordan K2-360b endte så tæt på sin stjerne og dens migrationshistorie ville have været et mysterium.

Udvikling af nye, mere detaljerede modelleringsværktøjer er vejen frem

Fra et teoretisk modelleringsperspektiv viser vores resultater, at vi har brug for endnu mere sofistikerede tidevandskraft-migrations modeller. Fx, at inkorporere foto-evaporation – hvordan intenst stjernelys kan flå atmosfæren af en planet – i vores modeller vil det tillade os at spore ændringer i en planets masse og radius over tid.

Ved at sætte disse effekter, tyngdekraftpåvirkning og UV-stråling, ind i en kombineret ramme, kan vi få et mere klart og mere præcist syn på hvordan planeter som k2-360b udvikler sig.

Hvis vi kan applicere disse nye, forstærkede muligheder på nye planetære opdagelser, kan vi finde ud af, om det vi ser her er almindeligt eller om det er en kosmisk sjældenhed.