Astronomer rapporterer i dag om opdagelsen af et planetsystem, der er helt ude af hældning, hvor to planeters baner står i en stejl vinkel til hinanden. Dette overraskende fund vil få indflydelse på teorier om, hvordan multiplanetsystemer udvikler sig, og det viser, at nogle voldsomme hændelser kan forstyrre planeternes baner, efter at et planetsystem er dannet, siger forskerne.
“Fundene betyder, at fremtidige studier af exoplanetsystemer vil blive mere komplicerede. Astronomer kan ikke længere antage, at alle planeter kredser om deres moderstjerne i et enkelt plan,” siger Barbara McArthur fra McDonald Observatory på University of Texas i Austin.
McArthur og hendes hold brugte data fra Hubble-rumteleskopet, det store Hobby-Eberly-teleskop og andre jordbaserede teleskoper kombineret med omfattende modellering til at afdække et væld af oplysninger om det planetariske system, der omgiver den nærliggende stjerne Upsilon Andromedae.
McArthur rapporterede disse resultater på en pressekonference i dag på det 216. møde i American Astronomical Society i Miami sammen med sin samarbejdspartner Fritz Benedict, også fra McDonald Observatory, og teammedlem Rory Barnes fra University of Washington. Arbejdet vil også blive offentliggjort i den 1. juni-udgave af Astrophysical Journal.
I lidt over et årti har astronomer vidst, at tre planeter af Jupiter-typen kredser om den gul-hvide stjerne Upsilon Andromedae. Upsilon Andromedae ligner vores Sol i sine egenskaber, men ligger omkring 44 lysår væk. Den er lidt yngre, mere massiv og lysere end Solen.
McArthurs hold har ved at kombinere fundamentalt forskellige, men komplementære typer af data fra Hubble-teleskoper og jordbaserede teleskoper bestemt de nøjagtige masser af to af de tre kendte planeter, Upsilon Andromedae c og d. Langt mere overraskende er det dog, at de har fundet ud af, at ikke alle planeter kredser om denne stjerne i samme plan. Planeterne c og d’s baner hælder 30 grader i forhold til hinanden. Det er første gang, at man har målt den “gensidige hældning” af to planeter, der kredser om en anden stjerne. Desuden har holdet fundet tegn på, at en fjerde planet, e, kredser om stjernen meget længere ude.
“Upsilon Andromedae har sandsynligvis haft den samme dannelsesproces som vores eget solsystem, selv om der kan have været forskelle i den sene dannelse, der har været årsag til denne divergerende udvikling,” siger McArthur. “Den hidtidige forudsætning for planeternes udvikling har været, at planetsystemer dannes i skiven og forbliver forholdsvis sideplanære, ligesom vores eget system, men nu har vi målt en betydelig vinkel mellem disse planeter, der tyder på, at dette ikke altid er tilfældet.”

Den konventionelle visdom har hidtil været, at en stor sky af gas falder sammen og danner en stjerne, og at planeter er et naturligt biprodukt af det overskydende materiale, der danner en skive. I vores solsystem er der efterladenskaber af denne skabelsesbegivenhed, fordi alle de otte store planeter kredser i næsten det samme plan. De yderste dværgplaneter som Pluto er i skrå baner, men disse er blevet modificeret af Neptuns tyngdekraft og er ikke indlejret dybt inde i Solens tyngdefelt.
Der kan være flere forskellige gravitationsscenarier, der er ansvarlige for de overraskende skrå baner i Upsilon Andromedae. “Mulighederne omfatter interaktioner, der opstår som følge af planeters indadgående migration, udstødning af andre planeter fra systemet gennem planet-planetspredning eller afbrydelser fra moderstjernens binære ledsagerstjerne, Upsilon Andromedae B,” sagde McArthur.
Barnes, der er ekspert i dynamikken i ekstrasolære planetsystemer, tilføjede: “Vores dynamiske analyse viser, at de skrå baner sandsynligvis skyldes udstødningen af et oprindeligt medlem af planetsystemet. Vi ved dog ikke, om den fjerne stjerneledsager har fremtvunget denne udstødning, eller om selve planetsystemet er dannet på en sådan måde, at nogle oprindelige planeter er blevet udstødt. Desuden finder vi, at den reviderede konfiguration stadig ligger lige på kanten af ustabilitet: Planeterne trækker så kraftigt på hinanden, at de næsten er i stand til at kaste hinanden ud af systemet.”
De to forskellige typer data, der blev kombineret i denne undersøgelse, var astrometri fra Hubble-rumteleskopet og radialhastighed fra jordbaserede teleskoper.
Astrometri er måling af positioner og bevægelser af himmellegemer. McArthurs gruppe brugte en af de fine styringssensorer (FGS) på Hubble-teleskopet til opgaven. FGS’erne er så præcise, at de kan måle bredden af en fjerdedel i Denver fra udsigtspunktet i Miami. Det var denne præcision, der blev brugt til at spore stjernens bevægelse på himlen forårsaget af dens omgivende – og usynlige – planeter.
Radialhastighed gør målinger af stjernens bevægelse på himlen mod og væk fra Jorden. Disse målinger blev foretaget over en periode på 14 år ved hjælp af jordbaserede teleskoper, herunder to på McDonaldObservatory og andre på Lick, Haute-Provence og WhippleObservatorierne. Radialhastigheden giver en lang basislinje for observationer af kredsløbsbevægelserne, hvilket gjorde det muligt for de korterevarende, men mere præcise og fuldstændige Hubble-observationer at definere kredsløbsbevægelserne bedre.
Den omstændighed, at holdet bestemte kredsløbsinklinationerne for planeterne cand d, gjorde det muligt for dem at beregne de to planeters nøjagtige masse. De nye oplysninger fortalte os, at vores opfattelse af, hvilken planet der er tungest, skal ændres. Ifølge tidligere minimumsmasser for planeterne, der var fremkommet ved radialhastighedsundersøgelser, var minimumsmassen for planet c på 2 Jupitere og for planet d på 4 Jupitere. De nye, nøjagtige masser, der er fundet ved hjælp af astrometri, er 14 Jupitere for planet c og 10 Jupitere for planet d.
“Hubble-dataene viser, at radialhastighed ikke er hele historien”, sagde Benedict. “Det var virkelig sødt, at planeterne faktisk havde en omvendt masse.”
De 14 års oplysninger om radialhastighed, som holdet har indsamlet, afslørede tegn på, at en fjerde planet med en lang periode kan kredse om Jorden ud over de tre nu kendte. Der er kun antydninger om denne planet, fordi den er så langt ude, at det signal, den skaber, endnu ikke afslører krumningen af en bane. En anden manglende brik i puslespillet er hældningen af den inderste planet, b, hvilket ville kræve en præcisionsastrometri, der er 1000 gange større end Hubbles, et mål, der kan nås af en rummission, der er optimeret til interferometri.
Teamets Hubble-data bekræftede også Upsilon Andromedaes status som en binær stjerne. Den ledsagende stjerne er en rød dværg, der er mindre massiv og meget svagere end Solen.
“Vi har ingen idé om, hvordan dens bane er,” sagde Benedict. “Den kan være meget excentrisk. Måske kommer den meget tæt på en gang i mellem. Det kan tage 10.000 år.” En sådan tæt passage af den sekundære stjerne kan forstyrre planeternes baner på grund af gravitation.