Par av oseriösa planeter hittade vandrande i Orionnebulosan – Physics World

Par av oseriösa planeter hittade vandrande i Orionnebulosan – Physics World

Tidsstämpel: 12 oktober 2023 9:22

Konstnärens intryck av en oseriös planet, som framstår som ett mörkt, bandat föremål mot en ljus bakgrund av stjärnor
Blir skurk: Planeter med Jupitermassa har tidigare hittats flytande fritt utan en moderstjärna, men inte i så stort antal och aldrig som binära par förrän den aktuella studien. (Med tillstånd: NASA/JPL-Caltech)

Mer än 500 fritt svävande objekt med planetmassa har upptäckts när de vandrade genom Orionnebulosan tack vare nya observationer från James Webb Space Telescope (JWST). Mest bisarrt, omkring 40 av dessa nyfunna objekt i nebulosans trapetskluster existerar i breda binära par, vilket förvirrar förväntningarna om hur dessa så kallade "skurkplaneter" bildas.

Frisvävande objekt med planetmassa som inte kretsar kring en stjärna har upptäckts i stjärnbildande områden tidigare, men aldrig i de antal som JWST:s sett Nära-infraröd kamera (NIRCam). Dessa föremål är synliga eftersom de fortfarande är unga och lyser med värmen från deras bildning. Med tiden kommer de att svalna och blekna ur sikte.

Det finns två hypoteser för hur sådana fritt svävande planeter bildas. En är att de har sitt ursprung som stjärnor, kollapsar och kondenserar direkt ur ett stjärnbildande molekylärt moln. Den andra är att de bildas genom kärnansamling i omloppsbana runt unga stjärnor, bara för att senare drivas ut av gravitationella tidvattenkrafter och resonanser.

Ett JuMBO-mysterium

För de flesta av de 540 objekt med planetmassa som finns i Orionnebulosan "kommer det nästan säkert att vara en kombination av båda [processerna]", säger Samuel Pearson, en forskare vid Europeiska rymdorganisationen (ESA) och huvudförfattare till en ännu inte granskad sakkunnig förtryck på de nya observationerna.

De 40 eller så breda binärerna – 9 % av totalen – passar dock inte in i den här bilden. Pearson kallar dem JuMBOs, för Jupiter Mass Binary Objects, och de är ett mysterium.

Huvudproblemet, förklarar Pearson, är JuMBOs massa. Modeller förutspår att den minsta massan som kan bildas direkt från ett molekylärt moln är tre gånger större än Jupiter. Denna minimigräns uppstår eftersom mindre föremål är bättre på att hålla värmen, vilket hindrar dem från att dra ihop sig ytterligare. Man kan därför förvänta sig att mindre kroppar med planetmassa (inklusive det minsta föremålet i JWST-observationerna, som är cirka 0.6 Jupitermassor) istället har bildats genom kärnansamling – det vill säga från botten och upp, som jorden – och att ha kastats ut från deras ursprungssystem.

"Men då är problemet nu att vi hittar dem i par", berättar Pearson Fysikvärlden. "Hur i hela friden händer det?"

Scenarier för planetbildning

Än så länge finns det två alternativ på bordet. En är att den initiala massfunktionen, som beskriver fördelningen av massor som stjärnor föds med, sträcker sig till mycket mindre massor än någon insett. Den andra är att dessa JuMBOs på något sätt kastas ut från planetsystem.

Även om det inte finns några fasta modeller för hur ett binärt par kan kastas ut, kommer en möjlig förklaring från Rosalba Perna från Stony Brook University, tillsammans med Yihan Wang och Zhaohuan Zhu vid University of Nevada i Las Vegas, båda i USA. I ett separat förtryck, föreslår de en modell där två jätteplaneter som kretsar på stort avstånd från sin stjärna båda kan kastas ut om de råkar flytta in i linje samtidigt som systemet upplever ett nära möte med en närliggande stjärna.

Perna och Wang påpekar att i modeller för planetbildning kan jätteplaneter sammansmälta direkt ur den planetbildande skivan på avstånd på över 50 astronomiska enheter (det vill säga 50 gånger avståndet Jord-sol) från sin stjärna.

"I vårt scenario föredrar JuMBOs att bildas från planetsystem med två gigantiska planeter med halvstora axlar nära varandra," säger Wang och Perna Fysikvärlden. "Till exempel, om planetsystemet är brett, är den mest sannolika konfigurationen en jätteplanet på ~100AU och en annan jätteplanet på 70AU."

Pressar in på en ny domän

I en papper publicerades 2022, Aleks Scholz från University of St Andrews, Storbritannien och kollegor förutspådde att JWST skulle kunna upptäcka ett betydande antal oseriösa planeter med låg massa i unga stjärnhopar. Scholz säger att de nya fynden i Orionnebulosan motiverar denna slutsats.

"Dessa nyupptäckta objekt med planetmassa är verkligen spännande - de finns förvånansvärt gott om, och det stora antalet binärer är helt oväntat", säger han Fysikvärlden. "Det här är vad som händer när du trycker in på en ny domän: du hittar oväntade saker."

För nu ligger ansvaret på att skaffa mer data. Pearson och hans medförfattare Mark McCaughrean, som är ESA:s senior rådgivare för vetenskap och utforskning, vill ta en andra titt på JuMBOs i en framtida studie, denna gång med hjälp av JWST:s Nära-infraröd spektrometer (NIRSpec). Dessa observationer bör bekräfta att de verkligen är av planetarisk massa genom att tillhandahålla detaljer om deras temperatur, ytgravitation och atmosfäriska sammansättning. Utöver det planerar Pearson och McCaughrean att leta efter objekt med planetmassa i en ung stjärnhop, NGC 2244, som är född från Rosettnebulosan och ligger 5 000 ljusår bort i stjärnbilden Monoceros. Stjärnorna i NGC 2244 är mindre tätt packade än de i Trapezium, säger Pearson, vilket betyder att möjligheterna för stjärnmöten som plockar planeter från sina banor är mindre.

"Det är mycket mindre sannolikt att det händer i riktigt glesa regioner, så om vi plötsligt slutar se JuMBOs, skulle det vara en rykande pistol för hur dessa bildas," förklarar han.

Även om lite är känt om dessa oseriösa objekt med planetmassa, säger Pearson att det kan finnas fler av dem i vår egen Vintergatans galax än det finns stjärnor. Detta väcker frågor om hur man definierar dem: är de planeter, sub-bruna dvärgar eller något annat? Med tanke på de redan suddiga gränserna mellan dessa kategorier kanske det inte spelar någon roll, och Pearson undviker sådana diskussioner.

"Hur vi försöker definiera dem är ett bra sätt att skapa argument", säger han och skrattar.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden