Billedkredit: NWU
De særegne baner fra tre planeter, der løber rundt om en fjern stjerne, kan kun forklares, hvis en usynlig fjerde planet sløvede igennem og bankede dem ud af deres cirkulære bane, ifølge en ny undersøgelse fra forskere ved University of California, Berkeley og Northwestern University.
Konklusionen er baseret på computerekstrapoleringer fra 13 års observationer af planetbevægelser omkring stjernen Upsilon Andromedae. Det antyder, at de ikke-cirkulære og ofte stærkt elliptiske kredsløb for mange af de til dato opdagede ekstrasolære planeter kan være resultatet af planeter, der spreder sig fra hinanden. I et sådant scenario kunne den forstyrrende planet blive skudt ud af systemet helt eller kunne blive sparket i en fjern bane, hvilket efterlader de indre planeter med excentriske bane.
”Dette er sandsynligvis et af de to eller tre ekstrasolære systemer, der har de bedste observationer og strameste begrænsninger, og det fortæller en unik historie,” sagde Eric Ford, en Miller postdoktor ved UC Berkeley. ”Vores forklaring er, at den ydre planetens oprindelige bane var cirkulær, men det fik dette pludselige spark, der permanent ændrede sin bane til at være meget excentrisk. For at give dette spark har vi antaget, at der var en ekstra planet, som vi ikke kan se nu. Vi mener, at vi nu forstår, hvordan dette system fungerer. ”
Hvis en sådan planet havde kørt gennem vores solsystem tidligt i sin historie, bemærkede forskerne, kunne de indre planeter måske ikke nu have så pænt cirkulære kredsløb, og baseret på de nuværende antagelser om livets oprindelse, kunne Jordens klima muligvis have svinget for meget for at livet er opstået.
”Mens planeterne i vores solsystem forbliver stabile i milliarder af år, var det ikke tilfældet for planeterne, der kredsede om Upsilon Andromedae,” sagde Ford. ”Selvom disse planeter måske har dannet sig på samme måde som Jupiter og Saturn, blev deres nuværende kredsløb formet af en sen fase af kaotisk og voldelig interaktion.”
Ifølge Fords kollega, Frederic A. Rasio, lektor i fysik og astronomi ved Northwestern, “Vores resultater viser, at en simpel mekanisme, ofte kaldet 'planet-planet scattering' - en slags slyngeeffekt på grund af det pludselige tyngdepunkt mellem to planeter, når de kommer meget tæt på hinanden - skal være ansvarlige for de stærkt excentriske baner, der observeres i Upsilon Andromedae-systemet. Vi tror, at planet-planet-spredning forekom ofte i ekstrasolære planetariske systemer, ikke kun denne, som følge af stærke ustabiliteter. Så selvom planetariske systemer omkring andre stjerner kan være almindelige, er de slags systemer, der kan understøtte liv, som ligesom vores solsystem sandsynligvis skal forblive stabile i meget lang tid skalaer, måske ikke være så almindelige. ”
Computersimuleringerne rapporteres i 14. april-udgaven af tidsskriftet Nature af Ford, Rasio og Verene Lystad, en bachelorstuderende med hovedfag i fysik ved Northwestern. Ford var studerende ved Rasios ved Massachusetts Institute of Technology, før han fortsatte kandidatstudier ved Princeton University og ankom til UC Berkeley i 2004.
Planetsystemet omkring Upsilon Andromedae er et af de mest studerede af de 160-nogle systemer med planeter, der er opdaget så langt uden for vores eget solsystem. Den indre planet, en "varm Jupiter" så tæt på stjernen, at dens bane kun er et par dage, blev opdaget i 1996 af UC Berkeleys Geoff Marcy og hans planetjagthold. De to ydre planeter, med aflange baner, der forstyrrer hinanden stærkt, blev opdaget i 1999. Disse tre, store, Jupiter-lignende planeter omkring Upsilon Andromedae omfattede det første ekstrasolære flerplanet-system opdaget af Doppler-spektroskopi.
På grund af den usædvanlige natur af planetariske kredsløb omkring Upsilon Andromedae, har Marcy og hans team undersøgt det intenst og foretaget næsten 500 observationer - 10 gange mere end for de fleste andre ekstrasolære planeter, der er fundet. Disse observationer, vuggerne i stjernens bevægelse induceret af de kredsende planeter, tillader en meget præcis kortlægning af planetenes bevægelser omkring stjernen.
”Observationerne er så præcise, at vi kan se og forudsige, hvad der vil ske i titusinder af år fremover,” sagde Ford.
I dag, mens den inderste planet hænger tæt på stjernen, kredser de to ydre planeter i ægformede kredsløb. Computersimuleringer af tidligere og fremtidige orbitalændringer viste imidlertid, at de ydre planeter er involveret i en gentagende dans, der en gang hvert 7.000 år bringer den mellemliggende planet til en cirkel.
”Denne egenskab ved at vende tilbage til en meget cirkulær bane er ret bemærkelsesværdig og forekommer generelt ikke,” sagde Ford. ”Den naturlige forklaring er, at de engang begge var i cirkulære kredsløb, og man fik et stort spark, der fik den til at blive excentrisk. Derefter fik den efterfølgende udvikling den anden planet til at vokse sin excentricitet, men på grund af energibesparelsen og vinkelmomenturen vender den periodisk tilbage til en meget næsten cirkulær bane. ”
Tidligere havde astronomer foreslået to mulige scenarier for dannelsen af Upsilon Andromedaes planetsystem, men observationsdataene var endnu ikke tilstrækkelige til at skelne mellem de to modeller. En anden astronom, Renu Malhotra ved University of Arizona, havde tidligere antydet, at spredning af planeten kunne have begejstret excentriciteten i Upsilon Andromedae. Men en alternativ forklaring hævdede, at interaktion mellem planeterne og en gasskive, der omgiver stjernen, også kunne have frembragt sådanne excentriske baner. Ved at kombinere yderligere observationsdata med nye computermodeller kunne Ford og hans kolleger vise, at interaktion med en gasskive ikke ville have frembragt de observerede kredsløb, men at interaktion med en anden planet naturligvis ville producere dem.
”Det centrale skelnen mellem disse teorier var, at interaktion med en ydre disk ville få banerne til at ændre sig meget langsomt, og en stærk interaktion med en forbiplanet planet ville få banerne til at ændre sig meget hurtigt sammenlignet med den 7.000-årige tidsskala for kredsløb for at udvikle sig, ”sagde Ford. "Fordi de to hypoteser fremsætter forskellige forudsigelser for systemets udvikling, kan vi begrænse systemets historie baseret på de nuværende planetbaner."
Ford sagde, at da planeterne dannede sig inden i en disk med gas og støv, ville træk på planeterne have holdt deres baner cirkulære. Når støvet og gasen var spredt, kunne imidlertid kun en interaktion med en forbigående planet have skabt de særlige baner fra de to ydre planeter, der blev observeret i dag. Måske, bemærkede han, blev den forstyrrende planet banket ind i de indre planeter ved interaktion med andre planeter langt fra den centrale stjerne.
Men det startede, de resulterende kaotiske interaktioner ville have skabt en meget excentrisk bane for den tredje planet, som derefter gradvist også forstyrrede den anden planets bane. Fordi den ydre planet dominerer systemet, forstyrrede den med tiden Midtplanetens bane nok til, at den langsomt deformeres til en excentrisk bane, hvilket er, hvad der ses i dag, selvom hvert 7.000 år eller deromkring vender den midterste planet gradvist tilbage til en cirkulær kredsløb.
"Det er dette, der gør systemet så ejendommeligt," sagde Rasio. ”Normalt ville gravitationsforbindelsen mellem to elliptiske kredsløb aldrig få en til at vende tilbage til en næsten perfekt cirkel. En cirkel er meget speciel. ”
”Oprindeligt var hovedmålet med vores forskning at simulere Upsilon Andromedae planetarisk system, i det væsentlige for at afgøre, om de to ydre planeter ligger i det samme plan som planeterne i solsystemet gør,” sagde Lystad, der begyndte at arbejde med Rasio da hun var andenuddannet og gjorde mange af computerintegrationerne som en del af hendes speciale. ”Vi var overrasket over at finde ud af, at det for mange af vores simuleringer var vanskeligt at se, om planeterne var i det samme plan på grund af det faktum, at mellemplanetens bane periodisk blev så meget næsten cirkulære. Når vi bemærkede, at denne mærkelige opførsel var til stede i alle vores simuleringer, anerkendte vi den som et øremærke for et system, der havde gennemgået en planet-planet spredning. Vi indså, at der var noget meget mere interessant, der foregik, end nogen før havde fundet. ”
At forstå, hvad der skete under dannelsen og udviklingen af Upsilon Andromedae og andre ekstrasolære planetariske systemer, har store konsekvenser for vores eget solsystem.
”Når du er klar over, at de fleste af de kendte ekstrasolære planeter har meget excentriske baner (som planeterne i Upsilon Andromedae), begynder du at spekulere på, om der måske er noget specielt ved vores solsystem," sagde Ford. ”Kun voldelig planet-planet-spredning være så almindelig, at få planetariske systemer forbliver rolige og beboelige? Heldigvis gør astronomer - ledet af Geoff Marcy, en professor i astronomi ved UC Berkeley - flittigt de observationer, der til sidst vil besvare dette spændende spørgsmål. ”
Forskningen blev støttet af National Science Foundation og UC Berkeleys Miller Institute for Basic Research.
Original kilde: Berkeley News Release
