Hoe zware sterren planeten stelen nieuw onderzoek

Hoe zware sterren planeten stelen – nieuw onderzoek

Er zou een planetenroof aan de gang kunnen zijn in het stervormingsgebied NGC 3324 in de Carinanevel. NASA/James Webb Telescoop

Onze zon heeft een nogal eenzaam bestaan in het Melkwegstelsel. Ze staat alleen, op vier lichtjaar afstand van de dichtstbijzijnde ster, met alleen haar planetenstelsel als gezelschap. Maar zo is het niet altijd geweest. We zien jonge sterren bijna uitsluitend in groepen, zogeheten stellaire kraamkamers, waar ze hun stellaire broers en zussen tegenkomen.

Deze stellaire kraamkamers zijn dichtbevolkte plaatsen, waar honderdduizenden sterren vaak verblijven in hetzelfde volume van de ruimte dat de zon in haar eentje bewoont. Gewelddadige interacties, waarbij sterren energie uitwisselen, komen vaak voor, maar niet voor lang. Na een paar miljoen jaar verdwijnen de groepen sterren en wordt de Melkweg bevolkt met nog meer sterren.

Ons nieuwe artikel, gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, laat zien hoe zware sterren in dergelijke stellaire kraamkamers planeten van elkaar kunnen stelen – en wat de tekenen van zo’n diefstal zijn.

Bijna onmiddellijk nadat jonge sterren zijn geboren, beginnen zich planetenstelsels rond hen te vormen. We hebben hier al meer dan 30 jaar indirect bewijs van. Waarnemingen van het licht van jonge sterren vertonen een onverwachte overmaat aan infrarode straling. Deze werd (en wordt nog steeds) verklaard als afkomstig van kleine stofdeeltjes (100ste van een centimeter) die in een materieschijf rond de ster draaien. Het is uit deze stofdeeltjes dat (uiteindelijk) planeten worden gevormd.

Het veld van ster- en planeetvorming onderging eind 2014 een revolutie toen de eerste beelden van planeetvormende schijven rond sterren werden gezien met de Atacama Large Millimetre Array (Alma) telescoop in de Chileense woestijn. De eerste, en daaropvolgende, beelden van Alma waren niets minder dan spectaculair. Veel van de schijven vertonen kenmerken en structuren die kunnen worden toegeschreven aan de aanwezigheid van volledig gevormde, Jupiter-achtige planeten.

Beelden van planeet-vormende schijven.

ALMA’s hoge-resolutie beelden van planeet-vormende schijven.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; N. Lira, CC BY-SA

Planeetvorming gebeurt snel na het begin van stervorming, en zeker terwijl de ster nog interacteert met zijn broers en zussen in de stellaire kraamkamer. Omdat planeten zich zo snel vormen, zullen ze worden beïnvloed door de dichtbevolkte stervormingsomgeving. Planeten kunnen hun banen veranderen, wat zich op verschillende manieren kan manifesteren.

Zwervende planeten

Soms wordt de afstand van de planeet tot de gastheerster kleiner of groter, maar vaker is er een verandering in de vorm van de baan – meestal wordt hij minder cirkelvormig (meer “excentrisch”). Soms wordt een planeet bevrijd uit zijn baan rond zijn gastheerster en gaat “vrij zweven” in het stervormingsgebied, wat betekent dat hij niet meer door zwaartekracht aan een ster gebonden is.

Een aanzienlijk deel van de vrij-vormende planeten wordt gevangen, en wordt gravitationeel gebonden aan een andere ster dan die waar ze omheen gevormd zijn. Een vergelijkbaar aantal planeten wordt zelfs uit hun baan gestolen – direct uitgewisseld tussen sterren zonder eerst vrij te zweven.

Bij het bestuderen van deze grote planetenroof hebben we geleerd dat planeten die gevormd zijn in de dichtstbevolkte stervormingsgebieden gemakkelijk gevangen of gestolen kunnen worden door sterren die veel zwaarder zijn dan onze eigen Zon. Sterren vormen zich met een breed scala aan massa’s. Onze zon is enigszins ongewoon in die zin dat zij ongeveer twee keer zo zwaar is als de ster met de gemiddelde massa in het heelal. Een relatief klein aantal sterren is echter nog zwaarder, en deze “OB-type” sterren domineren het licht dat we in de Melkweg (en andere melkwegstelsels) zien.

Beestjes

Deze massieve sterren zijn zeer helder, maar leven veel korter dan de Zon, en in sommige gevallen leven ze slechts enkele miljoenen jaren (in plaats van miljarden). We zouden daarom niet verwachten planeten rond hen te vinden.

In 2021 ontdekte de B-star Exoplanet Abundance Study (Beast), geleid door onderzoekers van de Universiteit van Stockholm, echter een planeet die op meer dan 550 keer de aarde-zon afstand rond een ster draait die tot tien keer de massa van de zon heeft, en een andere planeet die op 290 keer de aarde-zon afstand rond een ster draait die negen keer de massa van de zon heeft.

De Beast samenwerking vond deze planeten (“Beasties”) rond sterren in de Sco
Cen stervormingsgebied, dat momenteel geleidelijk oplost in de Melkweg. De oorspronkelijke verklaring die voor deze Beasties werd gegeven, is dat zij zich net als de gasreuzenplaneten in ons zonnestelsel hebben gevormd, maar dat zij massiever zijn en verder weg staan omdat zij een opgeschaalde versie van ons eigen planetenstelsel zijn.

Massieve sterren zenden echter overvloedige hoeveelheden ultraviolette straling uit, die het gas kan verdampen waaruit reuzenplaneten zoals Jupiter en Saturnus moeten ontstaan. Hoe komen Beasties dan in hun omgeving terecht?

We weten van ons eerdere werk dat planeetroof en -vangst kan gebeuren in dichtbevolkte stervormingsgebieden, en dus zochten we in onze simulaties naar planeten die werden gevangen of gestolen door massieve sterren.

Onze nieuwe verklaring voor de Beasties is dat ze in hun banen terecht zijn gekomen als gevolg van een planeetroof – ze zijn geboren rond andere sterren en vervolgens gevangen of gestolen door de massieve sterren. Deze planetenstelsels hebben meestal wijde banen (minstens 100 aarde-zon), en zijn zeer excentrisch – heel anders dan de cirkelvormige, dicht bij elkaar staande planeten in ons zonnestelsel, waarvan wij denken dat ze daar gevormd zijn.

Misschien is er een gevangen planeet in ons Zonnestelsel – de ongrijpbare en hypothetische Planeet 9 – maar Jupiter en de andere reuzenplaneten vormden zich rond onze Zon.

Onze computersimulaties blijken ook de frequentie van deze systemen te voorspellen (één of twee per stervormingsgebied), en de baankenmerken van de Beasties.
Toekomstige waarnemingen zullen meer licht werpen op de oorsprong van deze planeten, maar voorlopig zijn ze weer een opwindende ontdekking op het gebied van exoplanetenwetenschap.

The Conversation

Richard Parker ontvangt financiering van de Royal Society