Planeter bildas genom att klumpar av damm, sten och is samlas och växer sig större, punkt slut. Det har varit den gängse bilden under de senaste 50 åren. De allra största planeterna i främmande solsystem, de så kallade exoplaneterna, följer emellertid inte mallen.
Under de senaste 15 åren har planetforskarna observerat över 300 så kallade supergasjättar, som har upp till 13 gånger Jupiters massa och kretsar så långt från sin stjärna att de knappast kan ha bildats på det klassiska sättet.
För tio år sedan presenterade därför en grupp astronomer en teori om att supergasjättarna bildas plötsligt, i en process som påminner om en stjärnas födelse.
De har bara saknat ett bevis.
Nu har emellertid den amerikanske astronomen Thayne Currie och hans forskargrupp vid det japanska Subaruteleskopet på Hawaii för första gången fotograferat födelsen av en avlägsen supergasjätte och kunnat bekräfta att planeter kan bildas genom en helt ny mekanism.
Kretsar mycket långt från stjärnan
De allra flesta av de 5 125 exoplaneter som astronomerna hittills har hittat har upptäckts indirekt, genom att planetens skugga observerats när planeten passerar framför sin stjärna. Men vissa planeter kan faktiskt observeras direkt.
Bilderna tas genom att teleskop förses med en koronagraf, en skiva som skärmar av stjärnans starka ljus, så att planetens betydligt svagare återsken framträder.
Subaruteleskopet på Hawaii var det första som observerade uppkomsten av supergasjätten Aurigae b. Rymdteleskopet Hubble har senare bekräftat Subarus fynd.
Metoden lämpar sig särskilt väl för att upptäcka supergasjättar, eftersom de är väldigt stora och kretsar runt sin stjärna på så extremt långt avstånd att teleskopen kan skilja mellan de två ljuskällorna och isolera planetens svaga återsken.
År 2016 upptäckte det 8,2 meter breda Subaruteleskopet den unga stjärnan AB Aurigae. De första bilderna, som togs utan koronagraf, visade den endast två miljoner år gamla stjärnan omgiven av en roterande skiva av damm och gas.
När astronomerna senare skärmade av stjärnans ljus med koronagrafen tydde allt på att en gigantisk nyfödd gasplanet, som fick namnet Aurigae b, kretsade runt stjärnan 93 gånger längre bort än avståndet mellan solen och jorden.
Teleskop fotograferade födelsen
1. Stjärnans ljus döljer planeten
På bilder utan filter syns den endast två miljoner år gamla stjärnan som en lysande prick i mitten. Stjärnans ljus är så starkt att det döljer det svaga återskenet från den gigantiska gasplaneten Aurigae b i planetsystemets utkant.
2. Solskärm stänger ute det starka ljuset
När teleskopet förses med en koronagraf som stänger ute stjärnans ljus fångar kameran återskenet från Aurigae b längst ner i bild. Eftersom supergasjätten befinner sig extremt långt bort från stjärnan kan de två ljuskällorna separeras.
3. Jätten kretsar alltför långt ut
Aurigae b kretsar hela 13,95 miljarder kilometer från sin stjärna. Det är ett tre gånger längre avstånd än solsystemets mest avlägsna planet Neptunus (den inre ringen) från solen. Enligt den klassiska teorin borde planeter inte kunna bildas så långt bort från en stjärna.
Astronomerna var dock inte helt säkra på sin sak. Först när rymdteleskopet Hubble också fokuserade på stjärnan och observationerna kombinerades försvann det sista tvivlet.
För första gången någonsin observerade astronomerna födelsen av en supergasjätte på väldigt stort avstånd från sin stjärna. Det var bara ett problem: Planeten borde inte kunna bildas så långt bort, åtminstone inte enligt planetforskarnas klassiska teorier.
Ett helt zoo av exoplaneter
Fram till fyndet av de första exoplaneterna för snart 30 år sedan trodde astronomerna att alla andra planetsystem såg ut som solsystemet, med små stenplaneter som jorden innerst, gasjättar som Jupiter i mitten och isplaneter som Neptunus i systemets yttre delar.
Den uppfattningen har man emellertid sedan länge tvingats ge upp.
5 125 exoplaneter hade astronomerna registrerat i augusti 2022.
Planetforskarna har till exempel upptäckt flera tusen grader varma Jupiterliknande planeter som kretsar alldeles intill sin stjärna. Dessa stora gasplaneter kan omöjligt ha bildats i den vitglödgade hettan, utan måste ha slungats in dit från svalare områden längre ut i planetsystemet.
Astronomerna har även hittat mängder av planeter i viktklassen mellan jorden och Neptunus, till exempel stora superjordar, vattenplaneter och små gasplaneter som aldrig skulle kunna existera i vårt eget solsystem.
En sak har dock exoplaneterna gemensamt med solsystemets åtta planeter. De har bildats på samma sätt, nämligen exakt så som den klassiska teorin föreskriver. Damm, sten och is har med tiden samlats i en bana runt en stjärna och växt sig större tills en planet slutligen bildats.
Innan supergasjättarna upptäcktes utgick astronomerna från att alla planeter bildades genom att sten, damm och is samlades till en växande massa.
Fyndet av Aurigae b och de övriga supergasjättarna utmanar emellertid denna klassiska skapelseberättelse. Dessa planeter tycks nämligen ha bildats i planetsystemens yttersta delar, där mängden damm och gas är för liten för att kunna bygga en planet från grunden.
Det är osannolikt att jättarna har fötts längre in i den täta gasskivan runt stjärnan och slungats ut av andra jätteplaneters gravitation, eftersom supergasjättarna kretsar runt sina stjärnors cirkulära banor i skivans plan, vilket är typiskt för planeter som fortfarande befinner sig nära platsen där de en gång bildades.
För att förstå hur en supergasjätte kan bildas i den tunna gasen långt bort från stjärnan måste vi titta närmare på gravitationen.
Gravitationen satte samman gasjätte
När en ung stjärna föds präglas den första tiden av våldsamma rörelser i den omgivande gasskivan. Dessa rörelser kan skapa variationer i gravitationsfältet längst ut i skivan, så att områden med starka och svaga gravitationsfält uppstår.
Enligt den senaste teorin, som Thayne Currie och de övriga planetforskarna har lagt fram, komprimerar ett område med starkt gravitationsfält den tunna gasen till ett stort, tätt packat moln. Vid en tidpunkt blir molnet så tungt och instabilt att det kollapsar och bildar supergasjätten.
Instabilt gasmoln föder supergasjätte
1. Tunn gas kretsar längst bort
Den unga stjärnan omges av en roterande skiva av damm och gas. Klassisk planetbildning kan ske i skivans inre, täta del, men i den yttre delen är det omöjligt att bygga upp en supergasjätte från grunden, eftersom gasen är alltför tunn.
2. Instabil gas förtätas
Den tunna gasskivans gravitationsfält varierar till följd av rörelser i det unga, kaotiska solsystemet. I vissa områden blir gravitationsfältet svagare, men i ett förstärkt område komprimerar gravitationen ett gigantiskt, instabilt gasmoln.
3. Jätten bildar själv sin kärna
Gasmolnet kollapsar plötsligt, varefter en supergasjätte i full storlek bildas. Dammpartiklar dras in i planetens mitt, där de smälter samman till en stor och tung kärna, som attraherar ytterligare gas från omgivningarna.
4. Supergasjätte äter sig större
I sin omloppsbana runt stjärnan fortsätter den nyfödda planeten att dammsuga området på gas och växer sig allt större. Till slut har jätten tömt en stor del av skivan på all annan materia och har nu en massa på upp till 13 gånger Jupiters.
Processen, som påminner om stjärnbildning, är ett tecken på att gravitationen på ett eller annat vis alltid lyckas komprimera det mesta av materialet runt en stjärna till planeter.
”Naturen är smart och producerar inte bara kopior av vårt eget solsystem, utan ger upphov till en mängd olika planetsystem. Och systemet med supergasjätten är ett av de mest bisarra vi har sett”, säger Thayne Currie.
Miljardtals supergasjättar
Supergasjättar är sällsynta och anses utgöra mindre än en procent av alla planeter i Vintergatan. Ändå uppskattar astronomerna att det finns 46 miljarder supergasjättar i vår galax. Den stora frågan är nu om de alla föds färdiga, som Aurigae b.
”Naturen är smart och producerar inte bara kopior av vårt eget solsystem, utan ger upphov till en mängd olika planetsystem.” Thayne Currie, astronom vid Subaruteleskopet
För att ta reda på det blir astronomerna tvungna att ta tempen på de unga planeterna.
Om en supergasjätte föds plötsligt till följd av ett kollapsande gasmoln skulle den vara extremt varm, eftersom all värme som uppstår när gasen komprimeras så snabbt isoleras inne i planeten. Värmen friges sedan sakta under miljontals år, vilket innebär att planeten under lång tid fortsätter att vara glödhet.
Om supergasjätten i stället bildas på klassiskt vis, genom att först bygga upp en stor kärna av damm och is, som attraherar gas under en längre period, uppstår motriktade tryckvågor när gasen når kärnan.
Tryckvågorna rör sig därefter utåt, genom gasen som attraheras till kärnan, och minskar dess hastighet. När gasen tappar fart avger den en stor del av sin energi i form av värmestrålning på sin väg mot kärnan.
Därmed är en supergasjätte som har dammsugit sitt närområde på gas betydligt kallare än en som föds genom en plötslig kollaps av ett gasmoln.
Rymdteleskop kan avslöja bildningen
Den avslöjande temperaturskillnaden kvarstår i ett antal hundra miljoner år efter födelsen. Därefter jämnas skillnaden ut, varefter alla spår av ursprunget är borta. Därför säger observationer av mogna, flera miljarder år gamla supergasjättar oss ingenting.
Lyckligtvis upptäcker astronomerna alltfler unga planeter som Aurigae b, som kan avslöja om det är vanligt att supergasjättar föds genom en plötslig kollaps av ett gasmoln eller om det bara sker i ett fåtal fall.
Ett sätt att visa det är med det av Nasa nyligen uppsända rymdteleskopet James Webb, som har skarpast syn hittills. Dessutom är det utrustat med betydligt mer avancerade koronagrafer än föregångaren Hubble.
Men inte nog med det. Medan Hubble observerar rymden i synligt ljus kan James Webb registrera infraröd värmestrålning. Det innebär att rymdteleskopet är praktiskt taget skräddarsytt för att ta tempen på unga supergasjättar i andra planetsystem.
Med det nya verktyget får astronomerna goda möjligheter att ta reda på om AB Aurigae b är en särling och ett undantag från regeln eller om supergasjättens dramatiska födelse långt bort från sin stjärna är ett normalt ursprung för universums största planeter.