GJ 523b: Den unge «mega-jorden» som utfordrer teoriene om planetdannelse

Når radius og masse kombineres, får astronomene planetens totale eller gjennomsnittlige tetthet. Det er denne kombinasjonen som gjør GJ 523b til en mulig mega-jord: en planet som er stor og tung for å være steinrik, men langt tettere enn en typisk gassrik sub-Neptun med tilsvarende størrelse.

Hvorfor planeten skaper problemer for standardmodellen

I den såkalte kjerneakkresjonsmodellen begynner en planet å vokse ved at en fast kjerne samler støv, småstein og planetesimaler i en ung protoplanetarisk skive. Når kjernen blir stor nok – ofte rundt 20 jordmasser – kan den begynne å trekke til seg gass raskt. Dersom prosessen løper løpsk, forventes resultatet å bli en gasskjempe.

GJ 523b ligger over denne omtrentlige terskelen, men målingene tyder likevel på at den ikke har samlet opp en stor hydrogen- og heliumkappe.

Planetens radius gjør bildet enda mer interessant. Med 2,55 jordradier befinner den seg i det brede størrelsesområdet for sub-Neptuner, en gruppe planeter som ofte har betydelige lag med hydrogen og helium. GJ 523b ser i stedet ut til å inneholde en uvanlig stor andel tungt materiale.

Dette er likevel en slutning basert på masse og radius – ikke en direkte observasjon av atmosfæren. Tettheten kan fortelle mye om planetens overordnede sammensetning, men ikke nøyaktig hvordan lagene i planetens indre er bygget opp.

En ung planet med lite tid til å miste gass

Forskerne anslår at systemet er rundt 169 millioner år gammelt, med en usikkerhet på +100 og −48 millioner år. Det er ungt i astronomisk sammenheng.

Den unge alderen gjør en enkel forklaring basert på langsomt atmosfæretap mindre overbevisende. GJ 523b kan riktignok ha blitt utsatt for kraftig stråling tidlig i systemets historie, men planeten har høy masse og sterk tyngdekraft. Det burde gjøre det vanskeligere å blåse bort en stor atmosfære enn det er for en liten, nærgående steinplanet.

Også banen kan være et viktig spor. Stjernens rotasjonsakse er beregnet til å helle 17,6 ± 5,0 grader i forhold til synslinjen fra Jorden. Siden planeten passerer foran stjernen, innebærer geometrien en minste vinkel mellom stjernens rotasjon og planetens bane på 71,4 grader. Det er forenlig med en mulig nesten polær bane. Målingen er indirekte, men dersom den bekreftes, peker den mot en mer komplisert historie enn en enkel dannelse i samme plan som stjernen.

Flere mulige forklaringer – ingen fasit ennå

Fortrykket konkluderer ikke med én bestemt dannelsesmekanisme. I stedet skisserer forskerne flere muligheter.

Planeten ble dannet sent

GJ 523b kan ha samlet mye av den faste massen sin etter at gasskiven rundt den unge stjernen allerede var i ferd med å forsvinne. Da ville det ha vært lite hydrogen og helium igjen å samle opp da den massive steinkjernen vokste fram.

Gassopptaket ble hindret

En lokalt gassfattig skive, rask spredning av skiven eller varme som ble frigjort under planetens vekst kan ha hindret den i å gå over i ukontrollert gassakkresjon.

Forskerne diskuterer også en blandet vekstvei med både småstein og planetesimaler. Fortsatt tilførsel av fast materiale kan varme opp den voksende gasskappen og forsinke eller hindre at planeten trekker til seg store mengder gass.

GJ 523b mistet en tidligere atmosfære

En annen mulighet er at planeten opprinnelig hadde et langt tykkere atmosfærehylster, men senere mistet det gjennom intens stråling, gigantiske kollisjoner eller tidevanns- og dynamiske krefter.

Enkel fotoevaporasjon – at høyenergetisk stråling blåser atmosfæren ut i rommet – er likevel ikke en komplett forklaring uten videre. Planeten er relativt massiv, bruker 17,75 dager på et omløp og er fortsatt ung. Disse egenskapene gjør atmosfæretap vanskeligere enn for små, svært nærgående planeter, selv om de ikke utelukker det.

Banen ble endret senere

Den mulige nesten polære banen kan skyldes at planeten migrerte, at selve protoplanetariske skiven var skjev, eller at GJ 523b ble påvirket av en annen kropp.

Forskerne vurderer en skivebasert forklaring som plausibel. En von Zeipel–Lidov–Kozai-mekanisme, der en fjern og skråstilt ledsager gradvis endrer planetens bane, krever derimot en ytre ledsager som ennå ikke er oppdaget. Den forklaringen regnes derfor som mindre sannsynlig i studien.

Hvorfor funnet betyr noe

GJ 523b kan være et tydelig eksempel på en foreslått gruppe mega-jorder: planeter med minst 2,1 jordradier og en tetthet på minst 5,5 gram per kubikkcentimeter. De befinner seg størrelsesmessig i området der mange sub-Neptuner ligger, men kan være langt mer steinrike enn disse.

Funnet er også relevant for den såkalte radiuskløften. Astronomer har lenge sett en mangel på planeter mellom de mindre, steinrike planetene og de større sub-Neptunene med tykke atmosfærer. GJ 523b viser hvorfor størrelse alene ikke er nok til å forstå en planets utvikling. To planeter med omtrent samme radius kan ha svært ulik masse og sammensetning.

Målinger av masse er derfor avgjørende for å skille en steinrik mega-jord fra en mindre tett planet omgitt av et tykt gasslag.

Planeten minner dessuten astronomene om at en grense på rundt 20 jordmasser ikke bør tolkes som en absolutt regel. En så massiv kjerne kan ha stor tendens til å samle gass, men forholdene i skiven, tidspunktet for dannelsen, veksthastigheten og senere baneendringer kan være minst like viktige.

Én planet er ikke nok

GJ 523b er uvanlig, men én uvanlig planet kan ikke vise hvor vanlige mega-jorder er eller bevise én universell dannelsesvei. Både masse, radius, alder og stjernens egenskaper har usikkerheter.

Dessuten avslører ikke gjennomsnittlig tetthet planetens indre struktur eller atmosfæresammensetning entydig. En svært tett planet kan fortsatt ha en sekundær eller metallrik atmosfære som er vanskelig å oppdage gjennom masse- og radiusmålinger alene. Påstanden om at planeten mangler et betydelig hydrogen- og heliumhylster er derfor en slutning, ikke en direkte atmosfæremåling.

Den beregnede helningen mellom bane og stjernerotasjon må også testes videre. Dagens resultat gir en minste tredimensjonal feiljustering basert på den beregnede retningen til stjernens rotasjonsakse og det faktum at planeten passerer foran stjernen. Det er ikke det samme som en direkte måling av vinkelen på himmelplanet.

Derfor er «utfordrer teoriene om planetdannelse» mer presist enn «bryter lovene for planetdannelse». GJ 523b er et vanskelig tilfelle for standardforventningene, men flere systemer må undersøkes før astronomene vet om planeten er et sjeldent unntak, en avskallet rest eller et tegn på en større, hittil undervurdert gruppe planeter.

Hva kan løse mysteriet?

Flere oppfølgingsobservasjoner kan skille mellom de ulike forklaringene:

• Flere radialhastighetsmålinger kan gi en mer presis masse, begrense banens eksentrisitet og lete etter fjerne ledsagere som kan ha påvirket banen.
• Flere transittmålinger kan forbedre beregningen av radius og tidspunktet for framtidige passasjer.
• Transittspektroskopi kan lete direkte etter en atmosfære og undersøke om den er fattig på hydrogen og helium, rik på tyngre stoffer eller i praksis fraværende.
• Rossiter–McLaughlin-målinger kan finne vinkelen mellom stjernens rotasjon og planetens bane slik den projiseres på himmelen, og dermed teste den mulige nesten polære geometrien.
• Et større utvalg unge og tette sub-Neptuner kan vise om GJ 523b er en isolert anomali eller del av en bredere gruppe massive, steinrike planeter.

Foreløpig er GJ 523b best forstått som en godt begrunnet, men midlertidig case-studie: TESS fant passasjene, NEID målte planetens tyngdepåvirkning på stjernen, og kombinasjonen har avdekket en planet som standardmodellene ikke forklarer uten videre.