Afbeelding tegoed: NWU
De eigenaardige banen van drie planeten die rond een verre ster lopen, kunnen alleen worden verklaard als een onzichtbare vierde planeet erdoorheen blunderde en ze uit hun cirkelvormige banen sloeg, volgens een nieuwe studie van onderzoekers van de University of California, Berkeley en Northwestern University.
De conclusie is gebaseerd op computer-extrapolaties van 13 jaar waarnemingen van planeetbewegingen rond de ster Upsilon Andromedae. Het suggereert dat de niet-cirkelvormige en vaak zeer elliptische banen van veel van de tot nu toe ontdekte extrasolaire planeten het resultaat kunnen zijn van planeten die van elkaar worden verstrooid. In een dergelijk scenario kan de storende planeet volledig uit het systeem worden geschoten of in een verre baan worden geschopt, waardoor de binnenplaneten een excentrieke baan krijgen.
"Dit is waarschijnlijk een van de twee of drie extrasolarsystemen met de beste waarnemingen en de strengste beperkingen, en het vertelt een uniek verhaal", zegt Eric Ford, een postdoctoraal onderzoeker bij Miller in UC Berkeley. "Onze verklaring is dat de oorspronkelijke baan van de buitenplaneet cirkelvormig was, maar deze plotselinge kick kreeg die haar baan permanent veranderde in een zeer excentrieke baan. Om die kick te geven, hadden we de hypothese dat er een extra planeet was die we nu niet zien. We denken dat we nu begrijpen hoe dit systeem werkt. ”
Als zo'n planeet al vroeg in zijn geschiedenis door ons zonnestelsel was gegaan, merkten de onderzoekers op, zouden de binnenplaneten nu niet zulke mooie cirkelvormige banen hebben en, op basis van de huidige aannames over de oorsprong van het leven, zou het klimaat op aarde te veel kunnen fluctueren om het leven te laten ontstaan.
"Hoewel de planeten in ons zonnestelsel miljarden jaren stabiel blijven, was dat niet het geval voor de planeten die in een baan om Upsilon Andromedae cirkelden", zei Ford. "Hoewel die planeten op dezelfde manier gevormd konden zijn als Jupiter en Saturnus, werden hun huidige banen gevormd door een late fase van chaotische en gewelddadige interacties."
Volgens de collega van Ford, Frederic A. Rasio, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de noordwestelijke kant: 'Onze resultaten laten zien dat een eenvoudig mechanisme, vaak' planeet-planeetverstrooiing 'genoemd, een soort katapulteffect als gevolg van de plotselinge zwaartekracht tussen twee planeten wanneer ze heel dicht bij elkaar komen - moeten verantwoordelijk zijn voor de zeer excentrieke banen die worden waargenomen in het Upsilon Andromedae-systeem. Wij geloven dat verstrooiing van planeetplaneet vaak voorkwam in exoplaneet-planetenstelsels, niet alleen deze, als gevolg van sterke instabiliteit. Dus hoewel planetaire systemen rond andere sterren vaak voorkomen, zijn de soorten systemen die het leven zouden kunnen ondersteunen, die, zoals ons zonnestelsel vermoedelijk stabiel moeten blijven gedurende zeer lange tijdschalen, niet zo gewoon. ”
De computersimulaties worden gerapporteerd in het nummer van 14 april van het tijdschrift Nature door Ford, Rasio en Verene Lystad, een niet-gegradueerde student met als hoofdvak natuurkunde in Northwestern. Ford was een student van Rasio's aan het Massachusetts Institute of Technology voordat hij afstudeerde aan de Princeton University en in 2004 aankwam bij UC Berkeley.
Het planetaire systeem rond Upsilon Andromedae is een van de meest bestudeerde van de 160-sommige systemen met planeten die tot dusver buiten ons eigen zonnestelsel zijn ontdekt. De binnenplaneet, een 'hete Jupiter' die zo dicht bij de ster staat dat zijn baan maar een paar dagen bedraagt, werd in 1996 ontdekt door UC Berkeley's Geoff Marcy en zijn planeetjachtteam. De twee buitenste planeten, met langgerekte banen die elkaar sterk verstoren, werden in 1999 ontdekt. Deze drie enorme, Jupiter-achtige planeten rond Upsilon Andromedae vormden het eerste extrasolaire multi-planeetsysteem dat door Doppler-spectroscopie werd ontdekt.
Vanwege de ongebruikelijke aard van de planetaire banen rond Upsilon Andromedae, hebben Marcy en zijn team het intensief bestudeerd, waarbij ze bijna 500 waarnemingen hebben gedaan - 10 keer meer dan voor de meeste andere extrasolaire planeten die zijn gevonden. Deze waarnemingen, de schommelingen in de beweging van de ster veroorzaakt door de planeten in een baan, maken een zeer nauwkeurige weergave van de bewegingen van de planeten rond de ster mogelijk.
"De waarnemingen zijn zo nauwkeurig dat we kunnen kijken en voorspellen wat er in de toekomst tienduizenden jaren zal gebeuren", zei Ford.
Tegenwoordig, terwijl de binnenste planeet dicht bij de ster kruipt, draaien de twee buitenste planeten in eivormige banen. Computersimulaties van vroegere en toekomstige orbitale veranderingen toonden echter aan dat de buitenste planeten bezig zijn met een repetitieve dans die, eens in de 7.000 jaar, de baan van de middelste planeet in een cirkel brengt.
"Die eigenschap om terug te keren naar een zeer cirkelvormige baan is vrij opmerkelijk en gebeurt over het algemeen niet", zei Ford. 'De natuurlijke verklaring is dat ze ooit allebei in cirkelvormige banen waren, en een grote kick kreeg waardoor het excentriek werd. Vervolgens veroorzaakte de daaropvolgende evolutie dat de andere planeet zijn excentriciteit deed groeien, maar vanwege het behoud van energie en impulsmoment keert hij periodiek terug naar een bijna cirkelvormige baan. ”
Eerder hadden astronomen twee mogelijke scenario's voorgesteld voor de vorming van het planetenstelsel van Upsilon Andromedae, maar de waarnemingsgegevens waren nog niet voldoende om de twee modellen te onderscheiden. Een andere astronoom, Renu Malhotra aan de Universiteit van Arizona, had eerder gesuggereerd dat verstrooiing van planeet-planeten de excentriciteiten in Upsilon Andromedae mogelijk zou hebben opgewekt. Maar een alternatieve verklaring beweerde dat interacties tussen de planeten en een gasschijf rond de ster ook zulke excentrieke banen hadden kunnen produceren. Door aanvullende observatiegegevens te combineren met nieuwe computermodellen, konden Ford en zijn collega's aantonen dat interacties met een gasschijf de waargenomen banen niet zouden hebben geproduceerd, maar dat interacties met een andere planeet ze natuurlijk wel zouden produceren.
“Het belangrijkste onderscheidende kenmerk tussen die theorieën was dat interacties met een buitenste schijf ervoor zouden zorgen dat de banen zeer langzaam zouden veranderen, en een sterke interactie met een voorbijgaande planeet zou de banen zeer snel veranderen in vergelijking met de tijdschaal van 7.000 jaar voor de banen om te evolueren, 'zei Ford. "Omdat de twee hypothesen verschillende voorspellingen doen voor de evolutie van het systeem, kunnen we de geschiedenis van het systeem beperken op basis van de huidige planetaire banen."
Ford zei dat terwijl de planeten zich vormden in een schijf van gas en stof, de luchtweerstand op de planeten hun banen cirkelvormig zou hebben gehouden. Toen het stof en gas eenmaal waren verdwenen, kon echter alleen een interactie met een passerende planeet de specifieke banen van de twee buitenste planeten die vandaag zijn waargenomen, hebben gecreëerd. Misschien, merkte hij op, werd de storende planeet door interacties met andere planeten ver van de centrale ster in de binnenplaneten geslagen.
Hoe het ook begon, de resulterende chaotische interacties zouden een zeer excentrieke baan voor de derde planeet hebben gecreëerd, die vervolgens ook geleidelijk de baan van de tweede planeet verstoorde. Omdat de buitenste planeet het systeem domineert, verstoorde het in de loop van de tijd de baan van de middelste planeet genoeg om het ook langzaam te vervormen tot een excentrieke baan, wat tegenwoordig wordt gezien, hoewel de middelste planeet om de 7.000 jaar geleidelijk terugkeert naar een cirkelvormige baan.
'Dit is wat het systeem zo bijzonder maakt', zei Rasio. “Gewoonlijk zou de zwaartekrachtkoppeling tussen twee elliptische banen er nooit toe leiden dat iemand terugkeert naar een bijna perfecte cirkel. Een cirkel is heel bijzonder. '
"Oorspronkelijk was het hoofddoel van ons onderzoek het simuleren van het Upsilon Andromedae planetaire systeem, in wezen om te bepalen of de twee buitenste planeten in hetzelfde vlak liggen als de planeten in het zonnestelsel", zei Lystad, die begon te werken met Rasio toen ze een tweedejaars was en veel van de computerintegraties deed als onderdeel van haar afstudeerscriptie. "We waren verrast toen we ontdekten dat het voor veel van onze simulaties moeilijk te zeggen was of de planeten zich in hetzelfde vlak bevonden vanwege het feit dat de baan van de middelste planeet periodiek zo bijna cirkelvormig werd. Toen we eenmaal merkten dat dit vreemde gedrag aanwezig was in al onze simulaties, herkenden we het als een oormerk van een systeem dat verstrooiing van planeetplaneet had ondergaan. We realiseerden ons dat er iets veel interessants aan de hand was dan iemand eerder had ontdekt. '
Begrijpen wat er gebeurde tijdens de vorming en evolutie van Upsilon Andromedae en andere exoplaneet planetaire systemen heeft grote implicaties voor ons eigen zonnestelsel.
"Zodra je je realiseert dat de meeste van de bekende extrasolaire planeten zeer excentrische banen hebben (zoals de planeten in Upsilon Andromedae), begin je je af te vragen of er misschien iets speciaals is aan ons zonnestelsel," zei Ford. “Zou gewelddadige verstrooiing van planeetplaneet zo gewoon kunnen zijn dat maar weinig planetaire systemen kalm en bewoonbaar blijven? Gelukkig maken astronomen - onder leiding van Geoff Marcy, een professor in de astronomie aan UC Berkeley - ijverig de waarnemingen die uiteindelijk deze opwindende vraag zullen beantwoorden. ”
Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation en het UC Berkeley Miller Institute for Basic Research.
Oorspronkelijke bron: Berkeley News Release
