De exoplaneet ter grootte van Neptunus is te groot in verhouding tot zijn gastster

Je wint een beetje en je verliest een beetje. Eerder deze week leverden waarnemingen met de Webb-ruimtetelescoop nieuwe gegevens op ter ondersteuning van wat we dachten te begrijpen over de vorming van de planeet. Donderdag kwam het nieuws dat astronomen een grote planeet hadden opgemerkt die dicht bij een jonge ster draait, een ster die zo klein is dat er niet genoeg materiaal omheen zit om een ​​planeet van die omvang te vormen.

Dit betekent niet dat de planeet ‘onmogelijk’ is. Maar dit betekent dat we sommige aspecten van planeetvorming misschien niet volledig begrijpen.

Grote mismatch

LHS 3154 is, naar alle redelijke maatstaven, een kleine, zwakke ster. Afbeeldingen gemaakt door het team achter het nieuwe werk geven aan dat de massa van de rode dwerg slechts 11% van de massa van de zon bedraagt. De temperatuurschattingen liggen rond de 2.850 K, wat ruim onder de temperatuur van de zon van 5.800 K is en nauwelijks warm genoeg om hem buiten de categorie van ultrakoude dwergen te houden. (Ja, supercoole dwergen zijn genoeg om te verdienen Hun Wikipedia-artikel.)

We hebben veel planeten gevonden rond rode dwergen zoals deze. Maar voor het grootste deel was het klein en rotsachtig. Dit komt waarschijnlijk omdat jonge sterren eenvoudigweg zonder veel materiaal in schijven zijn gevormd. Het was dus een beetje een verrassing toen gegevens wezen op het bestaan ​​van een zeer grote planeet rond LHS 3154. Deze werd ontdekt met behulp van een telescoop van het McDonald Observatorium in Texas.

De onderzoekers gebruikten radiale snelheidsmetingen om de massa van de planeet te bepalen. Deze methode detecteert Doppler-verschuivingen in het sterlicht die worden veroorzaakt doordat de zwaartekracht van de planeet de ster dichter of verder van de aarde trekt, afhankelijk van waar de baan van de planeet hem naartoe brengt. Deze methode kan alleen de minimale massa van de planeet berekenen. Dit komt omdat de baan van de planeet gekanteld zou zijn ten opzichte van de aarde, waardoor een deel van de zwaartekracht van de planeet buiten de as zou liggen.

Volgens deze schattingen heeft de nieuw ontdekte planeet, LHS 3154b, minstens 13 keer de massa van de aarde, waardoor hij iets kleiner is dan Neptunus. (Nogmaals, dit is een onderschatting, dus het zou groter kunnen zijn.) Planeten van deze omvang worden zelden gevonden rond zulke kleine sterren. Als dat zo is, zijn ze doorgaans veel verder van hun sterren verwijderd dan LHS 3154b, die slechts 3,7 dagen nodig heeft om zijn baan te voltooien. LHS 3154b is dus ongebruikelijk genoeg dat het een uitleg lijkt te vereisen.

Ga groot

In gevallen waarin grote planeten rond kleine sterren voorkomen, lijkt het erop dat ze ontstaan ​​door schijffragmentatie vroeg in het stervormingsproces. Dit is hetzelfde proces dat dubbelsterren vormt, maar met een lagere hoeveelheid massa die in plaats daarvan een planeet voortbrengt. De onderzoekers ontdekten dat LHS 3154b veel groter is dan de planeten die in simulaties van dit proces zijn gevormd, en veel dichter bij zijn gastster.

Daarom onderzochten de onderzoekers of andere patronen van planeetvorming zoiets als LHS 3154b zouden kunnen produceren. Ze verkregen schattingen van de hoeveelheid materiaal in planeetvormende schijven rond sterren met een massa die vergelijkbaar is met die van LHS 3154. Vervolgens gebruikten ze deze om planeetvorming te simuleren, hetzij door aangroei van klein rotsachtig materiaal, hetzij door botsingen tussen planetesimalen. Deze slaagden er over het algemeen niet in voldoende grote planeten te produceren.

Om consistent zoiets groots als LHS 3154b te kunnen vormen, moesten onderzoekers de startomstandigheden zo veranderen dat er tien keer zoveel materiaal in de vormingsschijf van de planeet zat.

Dit is een indicatie dat onze huidige modellen van mechanismen voor planeetvorming niet ten minste één van onze waarnemingen kunnen verklaren. LHS 3154b zou behoorlijk uitzonderlijk kunnen zijn, en als dat zo is, mogen we niet verwachten dat we er veel van zullen zien in onze modellen of in aanvullende waarnemingen. Als je de onzekerheden in de modellen en de onzekerheden in de schijfmetingen zou combineren, zou dit mogelijk het bestaan ​​van zoiets als deze planeet mogelijk kunnen maken.

Maar de onderzoekers hielden ook rekening met het idee dat LHS 3154b ons iets over onze modellen zou kunnen vertellen. Eén optie die de zaken zou kunnen verklaren, is dat het grootste deel van het materiaal in planetairvormende schijven de vorm heeft van kiezelstenen op centimeterschaal, die onmogelijk te detecteren zouden zijn bij de golflengten die we gebruikten om deze schijven te bestuderen.

De andere reden is dat er een timingmismatch bestaat tussen het tijdstip waarop we de neiging hebben om goede beelden te krijgen van planeetvormende schijven en het tijdstip waarop planeetvorming daadwerkelijk plaatsvindt. Verwacht wordt dat de hoeveelheid materiaal in de vormingsschijf van de planeet in de loop van de tijd zal afnemen, naarmate de nieuw gevormde ster opwarmt en materiaal uitdrijft. Als de rotsachtige kern van LHS 3154b zich vroeg genoeg zou vormen, zou deze materiaal kunnen blijven opvangen, zelfs nadat de schijf dunner is geworden tot de materiaaldichtheden die in deze simulaties worden gebruikt.

De eenvoudigste manier om te zien welke van deze mogelijkheden LHS 3154b zullen helpen verklaren, is meer waarnemingen van rode dwergen. Deze zouden ons moeten vertellen of er andere vergelijkbare planeten zijn en misschien helpen verklaren hoeveel materiaal er in de planeetvormende schijven zit.

Wetenschap, 2023. DOI: 10.1126/science.abo0233 (Over digitale ID’s).