Planeter opstår, ved at klumper af støv, sten og is samler sig og vokser sig stadig større. Punktum. Sådan har den gængse opfattelse været de sidste 50 år. Men de allerstørste planeter i fremmede solsystemer, de såkaldte exoplaneter, passer ikke ind i skabelonen.
Planetforskerne har i løbet af de seneste 15 år observeret over 300 såkaldte supergasgiganter, som har op til 13 gange Jupiters masse og kredser om deres stjerner i så store afstande, at de næppe kan være samlet fra bunden på den klassiske måde.
For ti år siden fremførte en gruppe astronomer derfor en teori om, at supergasgiganterne opstår i ét pludseligt hug i en proces, der minder om en stjernes fødsel.
De har bare manglet et bevis.
Men nu har den amerikanske astronom Thayne Currie og hans forskerhold ved det japanske Subaruteleskop på Hawaii for første gang fotograferet fødslen af en fjern supergasgigant og bekræftet, at planeter kan opstå ved en helt ny mekanisme.
Kredser meget langt fra stjernen
Langt de fleste af de 5125 exoplaneter, som astronomerne har fundet til dato, er opdaget indirekte, ved at planetens skygge er blevet observeret, når kloden bevæger sig ind foran sin stjerne. Men enkelte planeter kan faktisk observeres direkte.
Billederne optages, ved at teleskoper udstyres med en koronagraf – en skive, der blokerer for stjernens stærke lys, så det meget svagere genskin fra planeten kan ses.
Subaruteleskopet på Hawaii var det første til at observere fødslen af supergasgiganten Aurigae b. Rumteleskopet Hubble har siden bekræftet Subarus fund.
Metoden er særlig velegnet til at spotte supergasgiganter, fordi de er kæmpestore og kredser om deres stjerner på så ekstreme afstande, at teleskoperne kan skelne mellem de to lyskilder og isolere det svage lys fra planeten.
I 2016 opdagede det 8,2 meter brede Subaruteleskop den unge stjerne AB Aurigae. De første billeder uden en koronagraf viste den blot to millioner år gamle stjerne omgivet af en roterende skive af støv og gas.
Da astronomerne efterfølgende dæmpede stjernens lys med koronagrafen, tydede alt på, at en gigantisk nyfødt gasplanet, som blev døbt Aurigae b, omkredsede stjernen 93 gange længere væk end afstanden mellem Solen og Jorden.
Teleskop fotograferede fødegangen
1. Stjernens lys skjuler planeten
På billeder uden filter ses den kun to millioner år gamle stjerne som en lysende prik i centrum. Stjernens lys er så stærkt, at det overdøver det svage genskin fra den gigantiske gasplanet Aurigae b i planetsystemets udkant.
2. Solskærm blokerer det stærke lys
Når teleskopet udstyres med en koronagraf, som skygger for stjernelyset, fanger kameraet genskinnet fra Aurigae b nederst i billedet. Da supergasgiganten er ekstremt langt væk fra stjernen, kan de to lyskilder skelnes fra hinanden.
3. Kæmpen er alt for langt ude
Aurigae b kredser hele 13,95 milliarder km fra sin stjerne. Det er tre gange så langt væk, som Solsystemets fjerneste planet, Neptun (inderste ring), er fra Solen. Så langt ude burde planeter ikke kunne opstå ifølge den klassiske teori.
Men astronomerne var ikke helt sikre i deres sag. Først da rumteleskopet Hubble også stillede skarpt på stjernen, og observationerne blev kombineret, forsvandt den sidste tvivl.
For første gang nogensinde observerede astronomerne fødslen af en supergasgigant superlangt fra sin stjerne. Der var bare et problem. Planeten burde nemlig ikke kunne opstå så langt væk – i hvert fald ikke ifølge planetforskernes klassiske teorier.
En zoo af exoplaneter
Frem til fundet af de første exoplaneter for snart 30 år siden mente astronomerne, at alle andre planetsystemer måtte ligne Solsystemet på en prik med små stenplaneter som Jorden inderst, gasgiganter som Jupiter i midten og isplaneter som Neptun i de ydre dele af systemet.
Men den opfattelse har for længst lidt skibbrud.
5125 exoplaneter havde astronomerne registreret i august 2022.
Planetforskerne har fx opdaget flere tusind grader varme, jupiterlignende planeter, som kredser helt tæt på deres stjerne. De store gasplaneter kan umuligt være dannet i den hvidglødende hede, men må være slynget derind fra køligere områder længere ude i planetsystemet.
Astronomerne har også fundet masser af planeter i vægtklassen mellem Jorden og Neptun, fx store superjorde, vandkloder og små gasplaneter, som aldrig ville kunne eksistere i vores eget solsystem.
En ting har exoplaneterne dog tilfælles med Solsystemets otte planeter – de er skabt på den samme måde, nemlig præcis som den klassiske teori foreskriver, hvor støv, sten og is med tiden samler sig i en bane om en stjerne og vokser sig stadig større, indtil en planet opstår.
Før fundet af supergasgiganterne gik astronomerne ud fra, at alle planeter blev dannet, ved at sten, støv og is samlede sig til en stadig større masse.
Men fundet af Aurigae b og de øvrige supergasgiganter udfordrer denne klassiske skabelsesberetning. Planeterne lader nemlig til at være opstået helt ude i de yderste egne af planetsystemerne, hvor mængden af støv og gas er alt for lille til at bygge en planet fra bunden.
Det er usandsynligt, at giganterne er født længere inde i den tætte gasskive omkring stjernen og slynget derud af andre kæmpeplaneters tyngdekraft, for supergasgiganterne kredser om deres stjerner cirkulære baner i skivens plan, hvilket er typisk for planeter, der stadig befinder sig tæt på det sted, hvor de blev dannet.
For at forstå, hvordan en supergasgigant så kan opstå i den tynde gas langt fra stjernen, skal vi have fat i tyngdekraften.
Tyngdekraften samlede gasgigant
Når en ung stjerne bliver født, er den første tid præget af voldsomme bevægelser i den omgivende gasskive. Bevægelserne kan skabe variationer i tyngdefeltet yderst i skiven, så områder med stærke og svage tyngdefelter opstår.
Ifølge den nyeste teori fra Thayne Currie og de øvrige planetforskere presser et område med et stærkt tyngdefelt den tynde gas sammen til en stor, tætpakket sky. På et tidspunktet bliver skyen så tung og ustabil, at den kollapser og føder supergasgiganten.
Ustabil gassky føder supergasgiganten
1. Tynd gas kredser længst væk
Den unge stjerne er omgivet af en roterende skive af støv og gas. Klassisk planetdannelse kan ske i den indre, tætte del af skiven, men i den ydre del er det umuligt at bygge en supergasgigant fra bunden, da gassen er alt for tynd.
2. Ustabil gas fortætter sig
Tyngdefeltet i den tynde gasskive varierer på grund af bevægelser i det kaotiske, unge solsystem. Nogle steder bliver tyngdefeltet svagere, men i et forstærket område presser tyngdekraften en gigantisk, ustabil gassky sammen.
3. Giganten danner selv sin kerne
Gasskyen kollapser pludseligt, og en supergasgigant i fuld størrelse opstår. Støvpartikler trækkes ind i planetens midte, hvor de smelter sammen til en stor og tung kerne, som tiltrækker mere gas fra omgivelserne.
4. Supergasgigant æder sig større
I sit kredsløb om stjernen støvsuger den nyfødte planet ubønhørligt området for gas og vokser sig stadig større. Til sidst har kæmpen ryddet en stor del af skiven for alt andet og har nu en masse på op til 13 gange Jupiters.
Processen minder om den måde, stjerner bliver dannet på, og er et tegn på, at tyngdekraften på en eller anden måde altid får klemt det meste af materialet omkring en stjerne sammen i planeter.
“Naturen er smart og producerer ikke bare kopier af Solsystemet, men en bred vifte af vidt forskellige planetsystemer. Og systemet med supergasgiganten er et af de mest bizarre, vi har set,” siger Thayne Currie.
Milliarder af supergasgiganter
Supergasgiganter er sjældne og menes at udgøre under en procent af alle planeter i Mælkevejen. Alligevel vurderer astronomerne, at der findes 46 milliarder af dem i vores galakse. Det store spørgsmål er nu, om de allesammen bliver født fuldt færdige som Aurigae b.
“Naturen er smart og producerer ikke bare kopier af Solsystemet, men en bred vifte af vidt forskellige planetsystemer.” Thayne Currie, astronom ved Subaruteleskopet
For at finde ud af det bliver astronomerne nødt til at tage de unge planeters temperatur.
Hvis en supergasgigant bliver født direkte af et kollaps fra en stor gassky, vil den være ekstremt varm, fordi al den varme, der udløses, når gassen hurtigt presses sammen, isoleres inde i planeten. Varmen bliver herefter kun langsomt frigivet gennem millioner af år, hvorfor planeten vil fortsætte med at være gloende varm i lang tid.
Hvis supergasgiganten i stedet er dannet på klassisk vis ved først at opbygge en stor kerne af støv og is, som tiltrækker gas over en længere periode, opstår der modsatrettede trykbølger, når gassen rammer kernen.
Trykbølgerne bevæger sig herefter ud gennem den indfaldende gas og dæmper gassens fart. Og når gassen taber fart, udstråler den en stor del af sin energi som varme på vej ind mod kernen.
Med andre ord vil en supergasgigant, som har støvsuget nærområdet for gas fra bunden af, være meget koldere, end hvis den var født ved et direkte kollaps af en gassky.
Rumteleskop kan afsløre dannelsen
Denne afslørende forskel i temperatur varer ved i nogle hundrede millioner år efter fødslen. Herefter er forskellen udlignet, og alle spor af oprindelsen forsvinder. Derfor vil observationer af modne supergasgiganter, som er flere milliarder år gamle, intet fortælle.
Heldigvis opdager astronomerne stadig flere og flere unge planeter som Aurigae b, der kan afsløre, om supergasgiganterne alle bliver født ved et direkte kollaps af en gassky, eller om det kun gælder for nogle få.
En af måderne at afsløre det på er med NASA’s nyligt opsendte rumteleskop James Webb. Teleskopet har det skarpeste syn, astronomerne nogensinde har rådet over i rummet, ligesom det er udrustet med langt mere avancerede koronagrafer end forgængeren Hubble.
Men ikke nok med det – hvor Hubble observerer rummet i synligt lys, kan James Webb registrere infrarød varmestråling, og derfor er rumteleskopet nærmest skræddersyet til at tage temperaturen på unge supergasgiganter i andre planetsystemer.
Med det nye værktøj får astronomerne gode chancer for at opklare, om AB Aurigae b er en særling og undtagelsen fra reglen – eller om supergasgigantens dramatiske og fjerne fødsel er den normale oprindelse af universets allerstørste planeter.