Ontdekking van een zeer dunne ‘suikerspin’-exoplaneet schokt wetenschappers – ‘We kunnen niet verklaren hoe deze planeet is ontstaan’

Astronomen hebben een enorme planeet met een lage dichtheid ontdekt, WASP-193b genaamd, die 50% groter is dan onze planeet. Jupiter Maar het heeft een dichtheid die lijkt op suikerspin. Deze ontdekking daagt de huidige planetaire vormingstheorieën uit, omdat wetenschappers niet kunnen verklaren hoe zo’n planeet zou ontstaan.

Astronomen hebben een enorme, donzige buitenaardse bal ontdekt van een planeet die rond een verre ster in onze Melkweg draait Melkweg heelal. De ontdekking werd op 14 mei in het tijdschrift gerapporteerd Natuur astronomie Door onderzoekers van Massachusetts Institute of TechnologyDe ontdekking, gedaan aan de Universiteit van Luik in België en elders, is een veelbelovende sleutel tot het mysterie van hoe deze ultralichte reuzenplaneten ontstaan.

De nieuwe planeet, WASP-193b genaamd, lijkt een dwerg ter grootte van Jupiter te zijn, maar de dichtheid is slechts een fractie van de dichtheid. Wetenschappers ontdekten dat de gasreus 50% groter is dan Jupiter, en ongeveer een tiende van de dichtheid, wat erg laag is, vergelijkbaar met de dichtheid van suikerspin.

WASP-193b is de op één na lichtste planeet die tot nu toe is ontdekt, na de kleinste, Neptunus-Net als de wereld, Kepler 51d. De veel grotere omvang van de nieuwe planeet, gecombineerd met zijn extreem lichte dichtheid, maakt WASP-193b tot een uitschieter onder de ruim 5.400 planeten die tot nu toe zijn ontdekt.

“Het vinden van deze gigantische objecten met zulke kleine dichtheden is echt heel zeldzaam”, zegt Khaled Al-Barqawi, hoofdauteur van het onderzoek en postdoctoraal onderzoeker aan het MIT. ‘Er is een klasse planeten die gezwollen Jupiters worden genoemd, en het is al vijftien jaar een mysterie wat ze zijn. Dit is een extreem geval van die klasse.

“We weten niet waar we deze planeet moeten plaatsen in alle vormingstheorieën die we nu hebben, omdat het in alle theorieën een anomalie is”, zegt co-hoofdauteur Francisco Pozuelos, een senior onderzoeker aan het Instituut voor Astrofysica in Andalusië. In Spanje. “We kunnen niet verklaren hoe deze planeet is ontstaan ​​op basis van klassieke evolutionaire modellen. Als we goed naar de atmosfeer kijken, kunnen we een evolutionair pad voor deze planeet bepalen.”

Co-auteurs van de MIT-studie zijn onder meer Julian de Wit, assistent-professor bij het Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences van MIT, en Artem Burdanov, een postdoctoraal onderzoeker bij MIT, samen met medewerkers van meerdere instellingen in heel Europa.

Artist’s impression van het WASP-193b-systeem. Krediet: Universiteit van Luik

“Interessante ontwikkeling”

De nieuwe planeet werd aanvankelijk opgemerkt door het Wide Angle Search for Planets Project, of WASP, een internationale samenwerking tussen academische instellingen die samen twee robotobservatoria exploiteren, één op het noordelijk halfrond en één op het zuidelijk halfrond. Elk observatorium maakt gebruik van een reeks groothoekcamera’s om de helderheid van duizenden individuele sterren aan de hele hemel te meten.

In onderzoeken uitgevoerd tussen 2006 en 2008, en opnieuw van 2011 tot 2012, heeft het WASP-South Observatory periodieke transits of dips in het licht gedetecteerd van WASP-193, een heldere, nabije zonachtige ster die zich 1232 jaar van het licht van de aarde bevindt . Astronomen hebben vastgesteld dat de periodieke dalingen in de helderheid van de ster consistent waren met een planeet die om de ster draait en elke 6,25 dagen zijn licht blokkeert. Wetenschappers maten de totale hoeveelheid licht die de planeet bij elke doorgang blokkeerde, waardoor ze een schatting kregen van de grootte van de gigantische planeet, ongeveer zo groot als een super-Jupiter.

Vervolgens probeerden astronomen de massa van de planeet te bepalen, een maatstaf die vervolgens de dichtheid zou onthullen en misschien ook aanwijzingen voor de samenstelling ervan. Om een ​​schatting van de massa te krijgen, gebruiken astronomen doorgaans de radiale snelheid, een techniek waarmee wetenschappers het spectrum van de ster analyseren, of verschillende golflengten van licht, terwijl de planeet om de ster draait. Het spectrum van een ster kan op specifieke manieren veranderen, afhankelijk van wat de ster aantrekt, zoals de planeet waar hij omheen draait. Hoe massiever een planeet is, en hoe dichter hij bij zijn ster staat, hoe meer het spectrum verschuift – een vervorming die wetenschappers een idee kan geven van de massa van de planeet.

Voor WASP-193 b verkregen astronomen aanvullende spectra met hoge resolutie van de ster, vastgelegd door verschillende telescopen op de grond, en probeerden ze de radiale snelheid te gebruiken om de massa van de planeet te berekenen. Maar het bleef leeg verschijnen – en het bleek dat de planeet te licht was om op zijn ster te worden gedetecteerd.

‘Grote planeten zijn meestal heel gemakkelijk te detecteren, omdat ze meestal enorm groot zijn en een grote impact op hun ster uitoefenen’, legt De Wit uit. “Maar het moeilijke aan deze planeet was dat, hoewel hij enorm was, de massa en dichtheid zo laag waren dat het heel moeilijk was om hem alleen met behulp van de radiale snelheidstechniek te detecteren. Het was een interessante ontwikkeling.”

“[WASP-193b] “Het is zo mild dat het vier jaar duurde om gegevens te verzamelen en aan te tonen dat er een massasignaal was, maar het is eigenlijk heel klein”, zegt Barqawi.

“In eerste instantie hadden we zeer lage dichtheden, en dat was in eerste instantie moeilijk te geloven”, voegt Buzuelos toe. “We hebben het proces van het analyseren van alle gegevens verschillende keren herhaald om er zeker van te zijn dat dit de werkelijke dichtheid van de planeet was, omdat deze zo zeldzaam was.”

Een opgeblazen wereld

Uiteindelijk bevestigde het team dat de planeet inderdaad erg licht was. Ze berekenden dat de massa ongeveer 0,14 van die van Jupiter was. De dichtheid, afgeleid van de massa, bedroeg ongeveer 0,059 gram per kubieke centimeter. Het gewicht van Jupiter daarentegen is ongeveer 1,33 gram per kubieke centimeter; De aarde is 5,51 gram per kubieke centimeter groter. Misschien is de stof die qua dichtheid het dichtst bij de nieuwe gezwollen planeet ligt, suikerspin, die een dichtheid heeft van ongeveer 0,05 gram per kubieke centimeter.

‘De planeet is zo licht dat het moeilijk is om vergelijkbare vaste materie te bedenken’, zegt Barqawi. “De reden dat het dicht bij suikerspin ligt, is omdat beide voornamelijk uit lichte gassen bestaan ​​en niet uit vaste stoffen. De planeet is eigenlijk heel dun.”

Onderzoekers vermoeden dat de nieuwe planeet grotendeels uit waterstof en helium bestaat, net als de meeste andere gasreuzen in de Melkweg. Voor WASP-193b vormen deze gassen waarschijnlijk een extreem gezwollen atmosfeer die zich tienduizenden kilometers voorbij de atmosfeer van Jupiter uitstrekt. Hoe een planeet zo kan opzwellen en toch zo’n extreme lichtdichtheid kan behouden, is een vraag die nog geen bestaande theorie over planetaire vorming kan beantwoorden.

Om een ​​beter beeld te krijgen van de nieuwe dunne wereld, is het team van plan een eerder ontwikkelde D-Wit-techniek te gebruiken om eerst bepaalde eigenschappen van de atmosfeer van de planeet af te leiden, zoals de temperatuur, samenstelling en druk op verschillende diepten. Deze eigenschappen kunnen vervolgens worden gebruikt om de massa van de planeet nauwkeurig te berekenen. Voorlopig ziet het team WASP-193b als een ideale kandidaat voor vervolgonderzoek door observatoria zoals WASP-193b James Webb-ruimtetelescoop.

‘Hoe groter de atmosfeer van een planeet, hoe meer licht er doorheen kan gaan’, zegt de Wit. “Dus deze planeet is duidelijk een van de beste doelen die we hebben voor het bestuderen van atmosferische effecten. Hij zal dienen als een Rosetta-steen om het mysterie van de uitpuilende Jupiters op te lossen.”

Referentie: “Een uitgebreide atmosfeer met lage dichtheid rond de planeet WASP-193 b ter grootte van Jupiter” door Khaled Al-Barqawi, Francisco J. Bozuelos, Coyle Hillier, Barry Smalley, Louise D. Nielsen, Prajwal Niraula, Michael Gillon, Julian de Wit, Simon Müller, Caroline Dorn, Ravit Held, Emmanuel Jehin, Brice Olivier Demaure, Valérie van Grootel, Abderrahmane Sepkew, Mourad Gashavi, David. Anderson, Zuhair Ben Khaldoun, François Bouchy, Artem Bordanov, Laetitia Delris, Elsa Ducrot, Leonel Garcia, Abdelhadi Al Jabri, Monica Lindell, Pierre FL Maxted, Catriona A. Murray, Peter Bellman Pedersen, Didier Kilo, Daniel Sebastian, Oliver Turner, Stefan Audrey, Mathilde Timmermans, Amaury HMG Triode en Richard G. West, 14 mei 2024, Natuur astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02259-y

Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de University Association en de UK Science and Technology Facilities Council for WASP; Europese Onderzoeksraad; Unie Wallonië-Brussel; en de Heising-Simons Foundation, Colin en Leslie Masson, en Peter A. Gilman, die Artemis en andere SPECULOOS-telescopen ondersteunen.