‘Ongewoon massief’ – Astronomen hebben een planeet ontdekt die niet zou moeten bestaan

Onderzoekers van Penn State hebben een ongewoon massieve planeet ontdekt, LHS 3154b, die rond een ultrakoele dwergster draait. Deze ontdekking, die in tegenspraak is met de huidige theorieën, leidt tot een herevaluatie van de processen van ster- en planeetvorming.

De ontdekking van een planeet die zo groot is in verhouding tot zijn zon doet twijfel rijzen over wat er eerder werd begrepen over de vorming van planeten en hun zonnestelsels, aldus onderzoekers van Penn State.

In een onderzoek gepubliceerd op 30 november in het tijdschrift WetenschappenOnderzoekers hebben de ontdekking aangekondigd van een planeet met meer dan 13 keer de massa van de aarde, die rond de ‘ultrakoele’ ster LHS 3154 draait, die zelf negen keer minder zwaar is dan de zon. De verhouding tussen de massa van de nieuw ontdekte planeet en zijn gastster is ruim honderd keer hoger dan die van de aarde en de zon.

Deze video is een artistieke weergave van het nieuw ontdekte systeem, LHS 3154, dat een planeet bevat die veel groter is in verhouding tot zijn zon dan de huidige modellen voorspellen. Krediet: Abigail Hope Minnich

Het uitdagen van huidige theorieën

De ontdekking onthult de meest massieve planeet die we kennen in een nauwe baan rond een ultrakoele dwergster, de laagste massa en koudste ster in het universum. Deze ontdekking druist in tegen wat de huidige theorieën voorspellen over planeetvorming rond kleine sterren, en vertegenwoordigt de eerste keer dat een planeet met zo’n hoge massa is waargenomen in een baan om een ​​ster met een lage massa.

“Deze ontdekking maakt duidelijk hoe weinig we weten over het universum”, zegt Suvrath Mahadevan, hoogleraar astronomie en astrofysica aan Penn State en co-auteur van het artikel. ‘We hadden niet verwacht dat er zo’n enorme planeet rond een ster met een lage massa zou bestaan.’

Artistieke weergave van een collectieve vergelijking tussen LHS 3154, onze aarde en onze zon. Krediet: Pennsylvania State University

Vorming van sterren en planeten

Hij legde uit dat sterren worden gevormd uit grote wolken van gas en stof. Nadat een ster is gevormd, blijven gas en stof achter als schijven van materiaal die rond de pasgeboren ster cirkelen en uiteindelijk kunnen evolueren tot planeten.

“De planeetvormende schijf rond de ster met lage massa LHS 3154 zal naar verwachting niet voldoende vaste massa hebben om deze planeet te vormen”, aldus Mahadevan. “Maar het bestaat, dus nu moeten we ons begrip van de vorming van planeten en sterren heroverwegen.”

Penn State-onderzoekers Suvrath Mahadevan en Megan Delamere verklaren de ontdekking van een massieve planeet die rond een kleine ster draait. Krediet: Pennsylvania State University

Detectie met behulp van HPF

De onderzoekers observeerden de enorme planeet, LHS 3154b genaamd, met behulp van een astronomische spectrograaf die in Pennsylvania was gebouwd door een team van wetenschappers onder leiding van Mahadevan. De tool, genaamd Habitable Zone Planet Finder, of HPF, is ontworpen om planeten te ontdekken die rond de koudste sterren buiten ons zonnestelsel draaien en die potentieel vloeibaar water – een belangrijk ingrediënt voor leven – op hun oppervlak hebben.

Planeten rond ultrakoele sterren ontdekken

Hoewel het erg moeilijk is om dergelijke planeten rond sterren als onze zon te detecteren, betekent de lage temperatuur van ultrakoele sterren dat planeten die vloeibaar water op hun oppervlak kunnen hebben, veel dichter bij hun ster staan ​​dan de aarde en de zon. Deze kortere afstand tussen deze planeten en hun sterren, gecombineerd met de lagere massa van ultrakoele sterren, resulteert in een waarneembaar signaal dat de aanwezigheid van de planeet aankondigt, legde Mahadevan uit.

“Zie het alsof een ster een kampvuur is. Hoe koeler het vuur wordt, hoe dichter je bij dat vuur bent om warm te blijven”, zei Mahadevan. “Hetzelfde geldt voor de planeten. Als de ster koeler is, zal de planeet dichter bij die ster moeten zijn om warm genoeg te zijn om vloeibaar water te bevatten. Als een planeet een baan heeft die dicht genoeg bij zijn ultrakoele ster ligt, kunnen we deze detecteren door een zeer kleine verandering in de kleur of het licht van de spectra van de ster te zien wanneer deze door een in een baan om de aarde draaiende planeet wordt meegesleurd.

Artistieke weergave van het mogelijke zicht vanaf LHS 3154b naar zijn gastster met lage massa. Gezien zijn grote massa heeft LHS 3154b waarschijnlijk een Neptunus-achtige samenstelling. Krediet: Penn State

Belang van HPF

De HPF bevindt zich bij de Hobby-Eberly Telescoop van het McDonald Observatorium in Texas en levert metingen met de hoogste resolutie tot nu toe van infraroodsignalen van nabijgelegen sterren.

“Het doen van de ontdekking met de HPF was heel bijzonder, omdat het een nieuw instrument is dat we van de grond af aan hebben ontworpen, ontwikkeld en gebouwd met als doel onbekende planetaire populaties rond sterren met een lagere massa te onderzoeken”, zegt Gumundur Stefansson. NASA Sagan Fellow in astrofysica Princeton Universiteit en de hoofdauteur van het artikel, die hielp bij de ontwikkeling van de HPF en als afgestudeerde student aan Penn State aan het onderzoek werkte. ‘We plukken nu de vruchten en leren nieuwe en onverwachte aspecten van deze opwindende groep planeten die rond enkele nabijgelegen sterren draaien.’

De tool heeft al belangrijke informatie opgeleverd Ontdekking en bevestiging Stefansson legde uit dat er nieuwe planeten zijn, maar de ontdekking van de planeet LHS 3154b overtrof alle verwachtingen.

Heroverweging van theorieën over planeetvorming

“Gebaseerd op bestaand onderzoekswerk met HPF en andere instrumenten, is een object zoals het object dat we hebben ontdekt waarschijnlijk uiterst zeldzaam, dus de ontdekking ervan was echt spannend”, zegt Megan Delamere, afgestudeerd astronomiestudent aan Penn State en co-auteur van het onderzoek. project. papier. “Onze huidige theorieën over planetaire vorming kunnen moeilijk verklaren wat we zien.”

Delamere legde uit dat in het geval van de ontdekte massieve planeet die rond de ster LHS 3154 draait, de kern van de zware planeet, afgeleid uit de metingen van het team, een grotere hoeveelheid vast materiaal in de schijf van de planeet nodig zou hebben dan de huidige modellen voorspellen. De ontdekking roept ook vragen op over het eerdere begrip van stervorming, aangezien de verhouding tussen massa en stof en gas in de circumstellaire schijf zoals LHS 3154 – toen deze jong was en zich pas aan het vormen was – tien keer zo hoog moet zijn geweest. Van wat werd waargenomen om een ​​enorme planeet te vormen zoals die ontdekt door het team.

“Wat we ontdekten vormt een extreme testcase voor alle bestaande theorieën over planeetvorming”, zegt Mahadevan. “Dit is precies waarvoor we de HPF hebben gebouwd: om te ontdekken hoe de meest voorkomende sterren in onze Melkweg planeten vormen – en om die planeten te vinden.”

Referentie: “A Neptunus-Massa Exoplaneet “In een nauwe baan rond een ster met een lage massa trotseert vormingsmodellen” door Gumundur Stefansson, Suvrath Mahadevan, Yamila Miguel, Paul Robertson, Megan Delamere, Shubham Kanodia, Caleb I. Kanias, Joshua N. Wynn, Joe B. Neenan, Ryan C. Therrien, Ray Holcomb, Eric B. Ford, Brianna Zawadzki, Brendan B. Bowler, Chad F. Bender, William D. Cochran, Scott Diddams, Michael Endell, Connor Frederick, Samuel Halverson, Fred Harty, Gary J. Hill, Andrea SJ Lane, Andrew J. Metcalf, Andrew Munson, Lawrence Ramsay, Arpita Roy, Christian Schwab, Jason T. Wright en Gregory Zeman, 30 november 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.abo0233

Andere Penn State-auteurs op het papier zijn Eric Ford, Brianna Zawadzki, Fred Harty, Andrea Lin, Lawrence Ramsay en Jason Wright. Andere auteurs van dit artikel zijn Joshua Wen van Princeton University, Yamila Miguel van de Universiteit Leiden, Paul Robertson van de University of California, Irvine, Ray Holcomb van de University of California en Shubham Kanodia van de University of California. Carnegie Instituut voor WetenschapCaleb Kanias van NASA’s Goddard Space Flight Center, Joe Neenan van het Indiase Tata Fundamental Research Institute, Ryan Therrien van Carleton College, Brendan Bowler, William Cochran, Michael Endel en Gary Hill van de Universiteit van Texas in Austin, en Chad Bender van de universiteit van Texas in Austin. Universiteit van Arizona, Scott Diddams, Connor Frederick en Andrew Metcalf van de Universiteit van Colorado, Samuel Halvorson van het Jet Propulsion Laboratory van het California Institute of Technology, Andrew Munson van de Universiteit van Arizona, Arpita Roy van de Johns Hopkins University, Christian Schwab van Macquarie University in Australië en Gregory Zeeman van de Hobby Telescope en Eberly aan de Universiteit van Texas in Austin.

Dit werk werd gefinancierd door het Center for Exoplanets and Habitable Worlds in Penn State, het Space Grant Consortium of Pennsylvania, de National Aeronautics and Space Administration, de National Science Foundation en de Hysing-Simons Foundation.