Simuleringar ger möjlig förklaring till mystisk lucka i super-jordens storleksfördelning

By | February 10, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Konstnärs återgivning av en exoplanet vars ytvattenis alltmer förångas och bildar en atmosfär under dess närmande till planetsystemets centrala stjärna. Denna process ökar den uppmätta planetradien jämfört med värdet som planeten skulle ha på sin ursprungsplats. Kredit: Thomas Müller (MPIA)

× nära


Konstnärs återgivning av en exoplanet vars ytvattenis alltmer förångas och bildar en atmosfär under dess närmande till planetsystemets centrala stjärna. Denna process ökar den uppmätta planetradien jämfört med värdet som planeten skulle ha på sin ursprungsplats. Kredit: Thomas Müller (MPIA)

Normalt följer planeter i utvecklade planetsystem, som solsystemet, stabila banor runt sin centrala stjärna. Många indikationer tyder dock på att vissa planeter kan lämna sina födelseplatser under sin tidiga evolution genom att migrera inåt eller utåt.

Denna planetariska migration kan också förklara en observation som har förbryllat forskare i flera år: det relativt låga antalet exoplaneter med storlekar ungefär dubbelt så stora som jorden, känd som radiedalen eller gapet. Tvärtom, det finns många exoplaneter som är mindre och större än denna storlek.

“För sex år sedan avslöjade en ny analys av data från rymdteleskopet Kepler ett fåtal exoplaneter med storlekar på runt två jordradier”, förklarar Remo Burn, exoplanetforskare vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg. Han är huvudförfattare till tidningen som rapporterar resultaten som beskrivs i denna tidning, nu publicerad i Natur astronomi.

Var kommer radiusdalen ifrån?

“Faktum är att vi, precis som andra forskargrupper, förutspådde, baserat på våra beräkningar, redan innan denna observation, att en sådan lucka måste finnas”, förklarar medförfattaren Christoph Mordasini, medlem av National Centre for Competence in Research (NCCR) . ) Planeter. Han leder avdelningen för rymdforskning och planetära vetenskaper vid universitetet i Bern. Denna förutsägelse dök upp under hans tid som vetenskapsman vid MPIA, som har forskat på detta område i många år tillsammans med universitetet i Bern.

Den vanligaste föreslagna mekanismen för att förklara utseendet på en sådan radiell dal är att planeter kan förlora en del av sin ursprungliga atmosfär på grund av bestrålning från centralstjärnan, särskilt flyktiga gaser som väte och helium. “Den här förklaringen ignorerar dock inflytandet av planetarisk migration”, förtydligar Burn.

I cirka 40 år har det konstaterats att planeter under vissa förhållanden kan röra sig in och ut genom planetsystem över tid. Effektiviteten av denna migration och i vilken utsträckning den påverkar utvecklingen av planetsystem påverkar dess bidrag till bildandet av den radiella dalen.

gåtfulla subneptunes

Två olika typer av exoplaneter lever i storleksintervallet som omger gapet. Å ena sidan finns det steniga planeter, som kan vara mer massiva än jorden och det är därför de kallas superjordar. Å andra sidan upptäcker astronomer alltmer så kallade sub-Neptunes (även mini-Neptunes) i avlägsna planetsystem, som i genomsnitt är något större än superjordarna.

“Men vi har inte dessa typer av exoplaneter i solsystemet”, konstaterar Burn. “Därför, än idag, är vi inte exakt säkra på dess struktur och sammansättning.”

Ändå är astronomer i allmänhet överens om att dessa planeter har betydligt större atmosfärer än steniga planeter. Följaktligen har det varit osäkert att förstå hur egenskaperna hos dessa sub-Neptunes bidrar till radiogapet. Kan klyftan ens antyda att dessa två typer av världar bildas olika?


Antalet exoplaneter minskar mellan 1,6 och 2,2, vilket ger en uttalad dalgång i deras utbredning. Istället finns det fler planeter med storlekarna 1,4 och 2,4 jordradier. De senaste simuleringarna, som för första gången tar hänsyn till vattnets realistiska egenskaper, indikerar att isiga planeter som vandrar in i planetsystem bildar tjocka atmosfärer av vattenånga. Det får dem att se större ut än de skulle vara där de kom ifrån. Dessa producerar toppen vid cirka 2,4 jordradier. Samtidigt förlorar mindre steniga planeter en del av sitt ursprungliga gashölje med tiden, vilket gör att deras uppmätta radie krymper och bidrar därmed till ansamlingen med cirka 1,4 jordradier. Kredit: R. Burn, C. Mordasini / MPIA

× nära


Antalet exoplaneter minskar mellan 1,6 och 2,2, vilket ger en uttalad dalgång i deras utbredning. Istället finns det fler planeter med storlekarna 1,4 och 2,4 jordradier. De senaste simuleringarna, som för första gången tar hänsyn till vattnets realistiska egenskaper, indikerar att isiga planeter som vandrar in i planetsystem bildar tjocka atmosfärer av vattenånga. Det får dem att se större ut än de skulle vara där de kom ifrån. Dessa producerar toppen vid cirka 2,4 jordradier. Samtidigt förlorar mindre steniga planeter en del av sitt ursprungliga gashölje med tiden, vilket gör att deras uppmätta radie krymper och bidrar därmed till ansamlingen med cirka 1,4 jordradier. Kredit: R. Burn, C. Mordasini / MPIA

Vandrande isplaneter

“Baserat på de simuleringar som vi redan publicerade 2020, indikerar och bekräftar de senaste resultaten att utvecklingen av sub-Neptunes efter deras födelse i stället bidrar väsentligt till botten av den observerade radien”, avslutar Julia Venturini från universitetet i Genève . Han är medlem i PlanetS-samarbetet och ledde 2020 års studie.

I de isiga områdena på deras födelseplatser, där planeterna får lite uppvärmningsstrålning från stjärnan, borde sub-Neptunes ha storlekar som saknas i den observerade fördelningen. När dessa förmodligen isiga planeter vandrar närmare stjärnan, smälter isen och bildar så småningom en tjock atmosfär av vattenånga.

Denna process resulterar i en förändring av planeternas radier till större värden. De observationer som används för att mäta planetradier kan trots allt inte skilja på om den bestämda storleken enbart beror på den fasta delen av planeten eller på en ytterligare tät atmosfär.

Samtidigt, som redan föreslagits i föregående bild, “krymper” steniga planeter genom att förlora sin atmosfär. I allmänhet ger båda mekanismerna en brist på planeter med storlekar runt två jordradier.

Fysiska datormodeller som simulerar planetsystem.

“Den teoretiska forskningen från Bern-Heidelberg-gruppen har redan avsevärt förbättrat vår förståelse av bildningen och sammansättningen av planetsystem i det förflutna”, förklarar MPIA-chefen Thomas Henning. “Därför är den aktuella studien resultatet av många års gemensamt förberedande arbete och ständiga förbättringar av fysiska modeller.”

De senaste resultaten härrör från beräkningar av fysiska modeller som spårar bildningen av planeter och deras efterföljande utveckling. De täcker processer i skivorna av gas och damm som omger unga stjärnor och ger upphov till nya planeter. Dessa modeller inkluderar uppkomsten av atmosfärer, blandning av olika gaser och radiell migration.

“Fokus för den här studien var vattnets egenskaper vid de tryck och temperaturer som förekommer inom planeterna och deras atmosfärer”, förklarar Burn. Att förstå hur vatten beter sig över ett brett spektrum av tryck och temperaturer är avgörande för simuleringar. Denna kunskap har fått tillräcklig kvalitet först på senare år. Det är denna komponent som möjliggör en realistisk beräkning av beteendet hos sub-Neptunes, vilket förklarar manifestationen av omfattande atmosfärer i varmare regioner.

“Det är förvånande hur, som i det här fallet, fysikaliska egenskaper på molekylär nivå påverkar storskaliga astronomiska processer, såsom bildandet av planetariska atmosfärer”, tillägger Henning.

“Om vi ​​utökade våra resultat till kallare regioner, där vatten är flytande, kan detta tyda på att det finns vattenvärldar med djupa hav”, säger Mordasini. “Dessa planeter skulle potentiellt kunna hysa liv och skulle vara relativt enkla mål för sökandet efter biomarkörer, tack vare deras storlek.”

Mer arbete framför oss

Det nuvarande arbetet är dock bara en viktig milstolpe. Även om den simulerade storleksfördelningen nära överensstämmer med den observerade och radiegapet är på rätt plats, har detaljerna fortfarande vissa inkonsekvenser. I beräkningarna hamnar till exempel för många isiga planeter för nära den centrala stjärnan. Forskare uppfattar dock inte denna omständighet som en nackdel, utan hoppas kunna lära sig mer om planetarisk migration på detta sätt.

Observationer med teleskop som James Webb Space Telescope (JWST) eller Extremely Large Telescope (ELT) under uppbyggnad kan också hjälpa. De skulle kunna bestämma sammansättningen av planeter baserat på deras storlek, och därmed ge ett test för de simuleringar som beskrivs här.

MPIA-forskarna som är involverade i denna studie är Remo Burn och Thomas Henning.

Andra forskare inkluderar Christoph Mordasini (Universitetet i Bern, Schweiz [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Schweiz [Unige]och Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) och Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian University of München, Tyskland, och Unibe).

NASA:s rymdteleskop Kepler sökte efter planeter runt andra stjärnor mellan 2009 och 2018 och upptäckte tusentals nya exoplaneter under sin verksamhet. Han använde transitmetoden: När en planets bana lutar så att planet är inom teleskopets siktlinje, blockerar planeterna med jämna mellanrum en del av stjärnans ljus under sin bana. Denna periodiska fluktuation i stjärnans ljusstyrka gör det möjligt att indirekt upptäcka planeten och bestämma dess radie.

Mer information:
En radiell dal mellan migrerade ångvärldar och förångade bergkärnor, Natur astronomi (2024). DOI: 10.1038/s41550-023-02183-7

Tidningsinformation:
Natur astronomi

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *