Gwiazdy bogate w żelazo mają planety z krótkim okresem orbitalnym

Astronomowie z SDSS dowiedzieli się, że skład chemiczny gwiazdy może wywierać nieoczekiwany wpływ na jej układ planetarny. Odkrycie to było możliwe dzięki nieustannemu przeglądowi SDSS gwiazd widzianych przez sondę Kepler, a który zapewni poszerzenie naszej wiedzy o tym, w jaki sposób tworzą się i ewoluują planety pozasłoneczne.

Zespół astronomów zaprezentował swoje wyniki na ostatnim spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (AAS) w National Harbor w stanie Maryland. Korzystając z danych SDSS, odkryli, że gwiazdy o wyższym stężeniu żelaza mają tendencję do posiadania planet, które krążą dość blisko gwiazdy macierzystej – często z okresem orbitalnym krótszym, niż około osiem dni – podczas, gdy gwiazdy z mniejszą zawartością żelaza mają tendencję do posiadania planet o dłuższych okresach orbitalnych i krążą znacznie dalej od swoich gwiazd. Dalsze badanie tego efektu może pomóc astronomom w zrozumieniu całej różnorodności pozasłonecznych układów planetarnych w naszej galaktyce i rzucić światło na to, dlaczego planety znajdują się tam, gdzie się znajdują.

Historia planet krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca rozpoczęła się w 1995 roku. Wtedy to zespół astronomów odkrył pojedynczą planetę krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca, w odległości 50 lat świetlnych od Ziemi. Tempo odkryć wzrosło w 2009 roku, gdy NASA wystrzeliła sondę Kepler, kosmiczny teleskop zaprojektowany do poszukiwania planet pozasłonecznych. Podczas swojej głównej misji, trwającej cztery lata, Kepler monitorował tysiące gwiazd naraz, obserwując słabe pociemnienia ich światła, które może wskazywać planetę przechodzącą przed gwiazdą macierzystą. Ponieważ Kepler obserwował te same gwiazdy przez wiele lat, widział wciąż te planety i był w stanie zmierzyć czas, w jakim okrąża ona swoją gwiazdę. Na podstawie tych informacji wyznaczono odległość planety od gwiazdy oraz to, że planeta krążąca bliżej gwiazdy ma większą prędkość obiegu niż krążąca dalej. Dzięki nieustannemu monitoringowi Keplera liczba egzoplanet ze znanymi okresami orbitalnymi wzrosła znacząco od około 400 w 2009 roku do ponad 3000 dzisiaj.

Chociaż Kepler był doskonale zaprojektowany do wykrywania planet pozasłonecznych, nie został zaprojektowany, aby badać skład chemiczny gwiazd, wokół których krążą te planety. Wiedza ta pochodzi z Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) SDSS, który zbadał setki tysięcy gwiazd w całej Drodze Mlecznej. APOGEE działa zbierając widma każdej gwiazdy – pomiar ilości światła emitowanego przez gwiazdę przy różnych długościach fali (kolorach) światła. Ponieważ atomy każdego pierwiastka oddziałują ze światłem w charakterystyczny sposób, spektrum pozwala astronomom określić nie tylko to, które pierwiastki zawiera gwiazda, ale także ile – dla wszystkich pierwiastków, łącznie z kluczowym żelazem.

„Wszystkie gwiazdy podobne do Słońca są w większości wodorowe, ale niektóre zawierają więcej żelaza, niż inne. Ilość żelaza, jaką zawiera gwiazda, jest ważną wskazówką, jak powstała i jak będzie ewoluować przez całe swoje życie” – mówi Johanna Teske z Carnegie Institution for Science, członek zespołu badawczego.

Łącząc dane z obydwu źródeł – orbit planet z Keplera oraz składu chemicznego gwiazd z APOGEE – astronomowie dowiedzieli się o związkach między gwiazdami bogatymi w żelazo a układami planetarnymi, które posiadają.

„Wiedzieliśmy, że wzbogacenie pierwiastkami gwiazdy ma znaczenie dla jej własnej ewolucji, ale byliśmy zaskoczeni, gdy dowiedzieliśmy się, że ma to również znaczenie dla ewolucji jej układu planetarnego” – mówi Taske.

Prezentowana praca opiera się na wcześniejszych, prowadzonych przez Gijsa Muldersa z University of Arizona, przy użyciu większej, ale mniej dokładnej próbki widm z projektu LAMOST-Kepler. Mulders i współpracownicy odkryli podobny trend – bliższe planety krążą wokół bogatych w żelazo gwiazd – ale nie określili krytycznego okresu ośmiu dni.

Co jest szczególnie zaskakujące w nowym wyniku to to, że gwiazdy wzbogacone w żelazo mają tylko o 25% więcej żelaza niż inne próbki. To pokazuje, że nawet niewielkie różnice w składzie chemicznym gwiazdy mogą mieć głęboki wpływ na systemy planetarne.

Ale nawet po tym nowym odkryciu astronomom pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi, na przykład w jaki sposób tworzą się i ewoluują planety pozasłoneczne, zwłaszcza te o rozmiarach Ziemi lub nieco większe (tzw. superziemie). Czy gwiazdy bogate w żelazo samoistnie formują planety o krótszych orbitach? Czy też planety krążące wokół gwiazd bogatych w żelazo mogą z większym prawdopodobieństwem tworzyć się dalej, a następnie migrować na bliższe orbity, skracając tym samym swój okres orbitalny? Wilson i współpracownicy mają nadzieję na współpracę z innymi astronomami aby stworzyć nowe modele dysków protoplanetarnych w celu przetestowania obu tych wyjaśnień.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
The long and short of it: Iron-rich stars host shorter-period planets

Źródło: SDSS

Na zdjęciu: Wizja artystyczna przedstawiająca, w jaki sposób żelazna zawartość gwiazdy może wpłynąć na jej planety. Normalna gwiazda (zielony pasek) częściej będzie gościła planetę o dłuższym okresie (zielona orbita), podczas gdy gwiazda bogata w żelazo (żółty pasek), co wydaje się bardziej prawdopodobne, będzie posiadać planetę o krótszym okresie (żółta orbita). Źródło: Dana Berry/SkyWorks Digital Inc.; współpracownicy SDSS.