Dankzij de Kepler-missie en andere inspanningen om exoplaneten te vinden, hebben we veel geleerd over de exoplanetenpopulatie. We weten dat we waarschijnlijk super-aardes en exoplaneten van de Neptunus-massa zullen vinden die in een baan om de lage massa draaien, terwijl grotere planeten worden gevonden rond zwaardere sterren. Dit sluit goed aan bij de kernaantastingstheorie van planetaire vorming.
Maar niet al onze waarnemingen voldoen aan die theorie. De ontdekking van een Jupiter-achtige planeet die in een kleine rode dwerg draait, betekent dat ons begrip van planetaire vorming misschien niet zo duidelijk is als we dachten. Een tweede theorie van planetaire vorming, de theorie van schijfinstabiliteit genoemd, zou deze verrassende ontdekking kunnen verklaren.
De rode dwergster heet GJ 3512 en hij is ongeveer 31 lichtjaar van ons verwijderd in Ursa Major. GJ 3512 is 0,12 keer de massa van onze zon, en de planeet, GJ 3512b, is minimaal 0,46 keer de massa van Jupiter. Dat betekent dat de ster slechts ongeveer 250 keer zo zwaar is als de planeet. Niet alleen dat, maar het is slechts ongeveer 0,3 AU verwijderd van de ster.
Vergelijk dat eens met ons zonnestelsel, waar de zon meer dan 1000 keer zo zwaar is als de grootste planeet, Jupiter. Die cijfers kloppen niet als het gaat om de theorie van kernacretie.
De kernacretietheorie is de meest algemeen aanvaarde theorie voor planetaire vorming. Kernaantasting vindt plaats als kleine vaste deeltjes botsen en stollen om grotere lichamen te vormen. Dat bouwt over een lange periode planeten op. Er is echter een limiet aan hoe het werkt.
Zodra een vaste kern tot ongeveer 10-20 keer de grootte van de aarde vormt, is hij massief genoeg om gas op te nemen, dat een omhulsel of atmosfeer rond de vaste kern vormt. Een sleutel is dat kernaanwas anders werkt, afhankelijk van de afstand tot de ster.
In een innerlijk zonnestelsel heeft de ster veel van het beschikbare materiaal opgenomen en vormen zich kleinere planeten, zoals de aarde. De aarde heeft ook een relatief kleine atmosfeer. In een buitenste zonnestelsel, buiten wat de vrieslijn wordt genoemd, is er veel meer materiaal van planeten om uit te vormen, hoewel het materiaal minder dicht is. Zo eindigen we met gasreuzen met volumineuze atmosferen in het buitenste zonnestelsel.
Maar in het geval van GJ 3512 vonden de onderzoekers enkele tegenstrijdigheden met de verklaring van de belangrijkste aanwas. Allereerst is de reden dat sterren een lage massa hebben, omdat de hele schijf waaruit ze worden gevormd minder materiaal heeft. Sterren zoals GJ 3512 hadden simpelweg geen materiaal meer voordat ze erg groot konden worden. Op dezelfde manier is er minder materiaal over in de protoplanetaire schijf om grote planeten te vormen.
In hun paper zeggen ze dat "Op deze manier voor de vorming van een gasreus <GJ 3512b> een grote planetaire kern van ten minste vijf aardmassa's moet worden opgebouwd." Ze zeggen dat dat niet kan gebeuren rond zo'n ster met een lage massa.
Dit nieuwe zonnestelsel lijkt de kernaantastingtheorie als verklaring uit te sluiten. De planeet is gewoon te zwaar vergeleken met de ster. Maar er is een andere theorie die de schijfinstabiliteitstheorie wordt genoemd.
Wanneer een jonge ster in fusie wordt geboren, wordt hij omgeven door een roterende protoplanetaire schijf van materiaal die overblijft na de vorming van de ster. Uit dat materiaal ontstaan planeten. De theorie van schijfinstabiliteit zegt dat de roterende schijf van materiaal snel kan afkoelen. Die snelle afkoeling kan ervoor zorgen dat het materiaal stolt tot brokken van planeetformaat, die onder hun eigen zwaartekracht kunnen instorten om gasreuzen te vormen, waardoor het kernacretieproces wordt overgeslagen.
Hoewel kernaanwas lang zou duren, zou schijfinstabiliteit in een veel kortere tijd grote planeten kunnen creëren. Dat zou kunnen verklaren dat het vinden van grote planeten zo dicht bij kleine sterren ligt, zoals in het geval van GJ 3512.
De wetenschappers achter dit werk vonden ook andere eigenaardigheden in dit systeem. Ze zeggen dat er mogelijk een derde planeet in het systeem is - ook een gasreus - die GJ 3512b beïnvloedde, waardoor zijn langgerekte baan ontstond. De aanwezigheid van die planeet wordt afgeleid uit de ongebruikelijke baan van GJ 3512b en werd niet waargenomen. Het team achter de studie zegt dat de tweede planeet waarschijnlijk uit het systeem is geworpen en nu een schurkenplaneet is.
Er is meer onderzoek nodig, met krachtigere instrumenten, om dit systeem beter te begrijpen. Volgens de auteurs is het een geweldige kans om onze theorieën over planetaire vorming te verfijnen. Zoals ze in de conclusie van de paper zeggen: “GJ 3512 een veelbelovend systeem omdat het volledig kan worden gekarakteriseerd en dus strenge eisen blijft stellen aan de aanwas en migratieprocessen, evenals aan de efficiëntie van planeetvorming in protoplanetaire schijven en de schijf massaverhoudingen van ster tot ster.
Een internationaal team van onderzoekers in het CARMENES-consortium (Calar Alto met hoge resolutie zoeken naar M-dwergen met Exoearths met nabij-infrarood en optische Echelle Spectrographs) deed dit werk. Dat consortium zoekt naar rode dwergen, het meest voorkomende type ster in de melkweg, in de hoop planeten met een lage massa te vinden in hun bewoonbare zones. CARMENES genereert niet alleen een dataset voor het begrijpen van rode dwergsterren, maar door planeten ter grootte van de aarde te vinden, zal het een rijke set vervolgdoelen opleveren voor toekomstig onderzoek.
Meer:
- Persbericht: Grote exoplaneet rond kleine ster daagt inzicht uit hoe planeten ontstaan
- Research Paper: Een gigantische exoplaneet die om een ster met een zeer lage massa draait, daagt modellen voor planeetvorming uit
- PlanetHunters.org: wat begrijpen we echt over planetaire vorming?
- Onderzoekspaper: PLANETAIRE VORMING SCENARIO'S HERZIEN: KERNACCRETIE VERSUS SCHIJF INSTABILITEIT
- CARMENES
