Astronomer rapporterar i dag om upptäckten av ett planetsystem som är helt felställt, där två planeters banor har en brant vinkel mot varandra. Detta överraskande fynd kommer att påverka teorier om hur system med flera planeter utvecklas, och det visar att vissa våldsamma händelser kan inträffa för att störa planeternas banor efter det att ett planetsystem har bildats, säger forskarna.
”Fynden innebär att framtida studier av exoplanetära system kommer att bli mer komplicerade. Astronomer kan inte längre anta att alla planeter kretsar kring sin moderstjärna i ett enda plan”, säger Barbara McArthur vid McDonald-observatoriet vid University of Texas i Austin.
McArthur och hennes grupp använde data från rymdteleskopet Hubble, det gigantiska Hobby-Eberly-teleskopet och andra markbaserade teleskop i kombination med omfattande modellering för att gräva fram en jordskreds av information om det planetsystem som omger den närliggande stjärnan Upsilon Andromedae.
McArthur rapporterade dessa resultat vid en presskonferens i dag vid det 216:e mötet för American Astronomical Society i Miami, tillsammans med sin medarbetare Fritz Benedict, även han från McDonald Observatory, och lagmedlemmen Rory Barnes från University of Washington. Arbetet kommer också att publiceras i Astrophysical Journal den 1 juni.
I drygt ett decennium har astronomer vetat att tre planeter av Jupitertyp kretsar kring den gulvita stjärnan Upsilon Andromedae. Upsilon Andromedae liknar vår sol i sina egenskaper, men ligger cirka 44 ljusår bort. Den är lite yngre, mer massiv och ljusare än solen.
McArthurs grupp har genom att kombinera fundamentalt olika, men ändå kompletterande, typer av data från Hubble-teleskop och markbaserade teleskop fastställt de exakta massorna för två av de tre kända planeterna, Upsilon Andromedae c och d. Mycket mer häpnadsväckande är dock deras upptäckt att inte alla planeter kretsar kring denna stjärna i samma plan. Planeternas banor c och d lutar 30 grader i förhållande till varandra. Det är första gången som man har mätt den ”ömsesidiga lutningen” hos två planeter som kretsar kring en annan stjärna. Dessutom har forskargruppen upptäckt tecken på att en fjärde planet, e, kretsar runt stjärnan mycket längre ut.
”Troligen hade Upsilon Andromedae samma bildningsprocess som vårt eget solsystem, även om det kan ha funnits skillnader i den sena bildningen som har gett upphov till denna avvikande utveckling”, säger McArthur. ”Den grundläggande förutsättningen för planeternas utveckling har hittills varit att planetsystemen bildas i skivan och förblir relativt samplanära, som vårt eget system, men nu har vi uppmätt en betydande vinkel mellan dessa planeter som visar att så inte alltid är fallet.”

Den konventionella visdomen har hittills varit att ett stort moln av gaser kollapsar för att bilda en stjärna och att planeterna är en naturlig biprodukt av det överblivna materialet som bildar en skiva. I vårt solsystem finns det spår av denna skapelsehändelse eftersom alla de åtta stora planeterna kretsar i nästan samma plan. De yttersta dvärgplaneterna som Pluto befinner sig i lutande banor, men dessa har modifierats av Neptunus gravitation och är inte inbäddade djupt inne i solens gravitationsfält.
Flera olika gravitationsscenarier skulle kunna ligga bakom de överraskande lutande banorna i Upsilon Andromedae. ”Möjligheterna omfattar interaktioner som uppstår genom inåtriktad migration av planeter, utstötning av andra planeter från systemet genom planet-planetspridning, eller störningar från moderstjärnans binära följeslagarstjärna, Upsilon Andromedae B”, säger McArthur.
Barnes, som är expert på dynamiken hos extrasolära planetsystem, tillägger: ”Vår dynamiska analys visar att de snedställda banorna troligen beror på utstötning av en ursprunglig medlem av planetsystemet. Vi vet dock inte om den avlägsna stjärnkompanjonen tvingade fram denna utstötning, eller om planetsystemet självt bildades på ett sådant sätt att några ursprungliga planeter kastades ut. Dessutom finner vi att den ändrade konfigurationen fortfarande ligger precis på gränsen till instabilitet: planeterna drar så starkt på varandra att de nästan kan kasta ut varandra ur systemet.”
De två olika typerna av data som kombinerades i den här forskningen var astrometri från rymdteleskopet Hubble och radialhastighet från markbaserade teleskop.
Astrometri är mätning av positioner och rörelser hos himlakroppar. McArthurs grupp använde en av de fina styrsensorerna (FGS) på Hubble-teleskopet för uppgiften. FGS:erna är så exakta att de kan mäta bredden på en fjärdedel i Denver från utsiktspunkten i Miami. Det var denna precision som användes för att spåra stjärnans rörelse på himlen orsakad av de omgivande – och osynliga – planeterna.
Radialhastighet gör mätningar av stjärnans rörelse på himlen mot och från jorden. Dessa mätningar gjordes under en period av 14 år med hjälp av markbaserade teleskop, inklusive två vid McDonaldObservatory och andra vid Lick, Haute-Provence och WhippleObservatories. Radialhastigheten ger en lång baslinje för observationerna av grundläggningen, vilket gjorde det möjligt för de kortare, men mer exakta och fullständiga Hubble-observationerna att bättre definiera omloppsrörelserna.
Det faktum att teamet fastställde planeterna cand d:s omloppsinklinationer gjorde det möjligt för dem att beräkna de exakta massorna av de två planeterna. Den nya informationen berättade för oss att vår syn på vilken planet som är tyngre måste ändras. Tidigare minimimassor för planeterna enligt radialhastighetsstudier gav planeten c en minimimassa på 2 Jupiters och planeten d en minimimassa på 4 Jupiters. De nya, exakta massorna, som hittats genom astrometri, är 14 Jupiters för planet c och 10 Jupiters för planet d.
”Hubble-data visar att radialhastighet inte är hela sanningen”, sade Benedict. ”Det faktum att planeterna faktiskt hade olika massa var riktigt gulligt.”
De 14 år av radialhastighetsinformation som laget sammanställde avslöjade antydningar om att en fjärde, långperiodisk planet kan kretsa bortom de tre nu kända planeterna. Det finns bara antydningar om den planeten eftersom den är så långt borta att den signal som den skapar ännu inte avslöjar krökningen av en omloppsbana. En annan saknad pusselbit är lutningen hos den innersta planeten, b, vilket skulle kräva en precisionsastrometri som är 1 000 gånger större än Hubbles, ett mål som kan uppnås av ett rymduppdrag som är optimerat för interferometri.
Teamets Hubble-data bekräftade också Upsilon Andromedaes status som en binär stjärna. Kompanjonstjärnan är en röd dvärg som är mindre massiv och mycket svagare än solen.
”Vi har ingen aning om hur dess bana ser ut”, säger Benedict. ”Den kan vara mycket excentrisk. Kanske kommer den mycket nära oss då och då. Det kan ta 10 000 år.” Om den sekundära stjärnan passerar så nära kan gravitationen störa planeternas banor.