GJ 523b: Den unge mega-Jord, der udfordrer teorierne om planetdannelse

Når radius og masse kombineres, kan astronomerne beregne planetens gennemsnitlige massefylde. Det er netop denne masse-radius-kombination, der gør GJ 523b til en sandsynlig mega-Jord: Den er stor for en klippeplanet, men langt tættere end en typisk gasrig sub-Neptun med tilsvarende størrelse.

Hvorfor planeten er svær at forklare

Problemet opstår i teorier om, hvad der sker, når en planetkerne bliver meget massiv, mens det unge planetsystem stadig er omgivet af en gasrig protoplanetarisk skive.

I den traditionelle model for kerneakkretion vil en fast kerne på omkring 20 jordmasser normalt begynde at opsamle gas hurtigt. Hvis processen udvikler sig eksplosivt, ender resultatet typisk som en gasplanet. GJ 523b ligger over denne omtrentlige tærskel, men dens massefylde tyder på, at den ikke har samlet en stor kappe af brint og helium op.

Dens størrelse gør gåden større. Med 2,55 jordradier befinder GJ 523b sig i det brede størrelsesområde for sub-Neptuner, hvor planeter ofte beholder atmosfærer af brint og helium. I stedet ser planeten ud til at indeholde en usædvanligt stor andel klippe og andre tunge materialer. Det er en slutning baseret på planetens samlede masse og radius – ikke en direkte påvisning af dens atmosfære.

Planeten ser også ud til at være ung. Studiet anslår en alder på 169 millioner år med en usikkerhed på +100 og −48 millioner år. Det giver mindre tid til, at almindeligt, langsigtet atmosfæretab kan have fjernet en oprindeligt massiv atmosfære. Samtidig bør en planet med GJ 523bs tyngdekraft være forholdsvis god til at holde fast på en atmosfære.

Endelig kan dens bane rumme spor efter en dramatisk dynamisk historie. Forskerne anslår, at moderstjernens rotationsakse hælder 17,6° ± 5,0° i forhold til synsretningen. Fordi planeten passerer foran stjernen, indebærer geometrien en minimal forskel på 71,4° mellem stjernens rotationsakse og planetens bane. Det er foreneligt med en næsten polær bane. Målingen er indirekte, men hvis den bekræftes, vil en enkel og uforstyrret dannelse i samme plan som stjernens ækvator være svær at forklare.

Mulige forklaringer – men intet endeligt svar

Fortrykket peger ikke på én bestemt dannelsesmekanisme. I stedet er flere muligheder stadig åbne.

Den blev samlet efter gasskivens forsvinden

GJ 523b kan have samlet en stor del af sin faste masse, efter at den omgivende gasskive allerede var spredt. I så fald kunne en stor, klipperig kerne være dannet på et tidspunkt, hvor der kun var lidt brint og helium tilbage til at blive opsamlet.

Gasopsamlingen blev hæmmet

En lokalt gasfattig skive, en hurtig spredning af skiven eller varme frigivet under væksten kan have forhindret planeten i at begynde en løbsk gasakkretion. Forskerne diskuterer også en kombineret proces med småsten og planetesimaler: Fortsat tilførsel af fast materiale kan opvarme den voksende kappe og forsinke eller forhindre opsamlingen af store mængder gas.

Planeten mistede en tidligere atmosfære

En anden mulighed er, at GJ 523b begyndte med en betydeligt tykkere atmosfære, som senere blev fjernet af kraftig stråling tidligt i systemets historie, gigantiske sammenstød eller tidevandsmæssig og dynamisk afskalning. Enkel fotoafdampning er dog ikke en helt oplagt forklaring. Planeten er relativt massiv, bruger 17,75 døgn på et omløb og er stadig ung. Det udelukker ikke atmosfæretab, men gør det vanskeligere at forklare hele resultatet med fotoafdampning alene.

Systemet blev dynamisk omarrangeret

Den mulige næsten polære bane kan være opstået gennem migration, en hældet protoplanetarisk skive eller vekselvirkninger med et andet himmellegeme. Forskerne vurderer, at en skivebetinget hældning er plausibel. En von Zeipel-Lidov-Kozai-proces ville kræve en hældet, ydre ledsager, som endnu ikke er fundet, og anses i studiet for mindre sandsynlig.

Derfor er GJ 523b vigtig

GJ 523b kan være et særligt tydeligt eksempel på den foreslåede klasse af mega-Jorder: Planeter med en radius på mindst 2,1 jordradier og en massefylde på mindst 5,5 gram pr. kubikcentimeter. De befinder sig i et størrelsesområde, der ofte forbindes med sub-Neptuner, men ser ud til at indeholde usædvanligt meget tungt materiale.

Det gør planeten relevant for diskussionen om exoplaneternes radiusgab – den tilsyneladende mangel på planeter mellem mindre, klipperige verdener og større sub-Neptuner. Hvis nogle planeter over dette gab kan forblive ekstremt tætte og fattige på gas, fortæller planetens størrelse alene ikke hele historien om dens udvikling. Massemålinger er afgørende for at skelne mellem en klipperig mega-Jord og en mindre tæt planet med en tyk atmosfære.

Opdagelsen viser også, hvorfor en enkelt tærskel ikke bør anvendes for rigidt. En kerne på omkring 20 jordmasser kan ganske vist have en stærk tendens til at opsamle gas, men GJ 523b antyder, at forholdene i skiven, tidspunktet, vækstforløbet og den senere dynamiske udvikling kan være lige så vigtige.

Problemet med kun ét eksempel

GJ 523b er usædvanlig, men én særpræget planet kan ikke vise, hvor almindelige mega-Jorder er, eller bevise én universel dannelsesvej. Både masse og radius er behæftet med usikkerheder, og den samlede massefylde afslører ikke entydigt planetens indre opbygning eller atmosfæriske sammensætning. En tæt planet kan stadig have en sekundær eller metalrig atmosfære, som ikke kan identificeres ud fra masse og radius alene.

Den beregnede banehældning skal også testes yderligere. Det nuværende resultat er en minimumsværdi for den tredimensionelle forskel mellem rotationsakse og bane, baseret på stjernens beregnede orientering og det faktum, at planeten passerer foran stjernen. Det er ikke det samme som en direkte måling af vinklen projiceret på himlen.

Derfor er det mere præcist at sige, at GJ 523b udfordrer teorierne om planetdannelse, end at den »bryder fysikkens regler«. Observationen viser et vanskeligt tilfælde for standardforventningerne, men flere systemer er nødvendige for at afgøre, om planeten er en sjælden undtagelse, en afskallet planet eller tegn på en hidtil undervurderet klasse af planetariske udfald.

Hvilke observationer kan løse mysteriet?

Flere opfølgende målinger kan hjælpe med at skelne mellem forklaringerne:

• Flere radialhastighedsmålinger kan forbedre massebestemmelsen, fastlægge banens excentricitet og lede efter ledsagere med lange omløbstider, som kan have påvirket planetens bane.
• Yderligere transitfotometri kan gøre målingen af radius og tidspunktet for fremtidige transitter mere præcis.
• Transitspektroskopi kan lede direkte efter en overlevende atmosfære og undersøge, om den er fattig på brint og helium, rig på tungere grundstoffer eller stort set fraværende.
• Rossiter-McLaughlin-målinger kan bestemme den projicerede vinkel mellem stjernens rotationsakse og planetens bane og teste, om den sandsynlige næsten polære geometri er reel.
• En større prøve af unge, tætte sub-Neptuner kan vise, om GJ 523b er et isoleret særtilfælde eller del af en bredere population af massive klippeplaneter.

Indtil videre er GJ 523b bedst forstået som et velbegrundet, men foreløbigt casestudie: TESS fandt transit-signalet, NEID målte massen, og kombinationen har afsløret en planet, som standardmodellerne ikke uden videre kan forklare.