Den ekstremt varme eksoplaneten WASP-189b, nesten 320 lysår fra jorden i stjernebildet Vekten, har gitt astronomene ny støtte til en sentral idé om planetdannelse. For første gang er magnesium og silisium målt samtidig i atmosfæren til en planet utenfor solsystemet. Forholdet mellom de to grunnstoffene ligner svært på forholdet i planetens vertsstjerne.

Resultatet styrker antakelsen om at stjerner og planetene som dannes rundt dem, har beslektet kjemisk sammensetning. Sammenhengen har lenge vært brukt til å anslå hva steinplaneter rundt andre stjerner kan bestå av, men har hittil først og fremst vært støttet av funn fra vårt eget solsystem.

Ekstrem varme gjør bergarter synlige

WASP-189b er en såkalt ultra-varm Jupiter, en gruppe enorme planeter med så høye temperaturer at stoffer som vanligvis inngår i fast bergart, kan forekomme som gass. Magnesium (Mg), silisium (Si) og jern (Fe) kan dermed påvises i atmosfæren.

Astronomene identifiserer stoffene med spektroskopi, en metode som deler lyset opp i bølgelengder og dermed kan avsløre hvilke kjemiske stoffer som er til stede. Det internasjonale forskerlaget ble ledet av Jorge Antonio Sanchez, doktorgradsstudent ved Arizona State University (ASU).

Observasjonene ble gjort med den høyoppløselige infrarøde spektrografen Immersion GRating INfrared Spectrograph, IGRINS. Da målingene ble utført, var instrumentet montert på Gemini South-teleskopet i Chile. Teleskopet inngår i International Gemini Observatory, som delvis finansieres av US National Science Foundation og drives av NSF NOIRLab.

Chris Davis, programdirektør i NSF for NOIRLab, trekker fram hva instrumenteringen gjør mulig:

«Disse funnene viser Geminis evne til å hjelpe oss med å forstå egenskapene til det bemerkelsesverdige mangfoldet av eksoplaneter i vårt kosmiske nabolag. Slike funn er bare mulige på grunn av Geminis avanserte instrumenter.»

Stjerne og planetskive kommer fra samme materiale

Kjempeplaneter som WASP-189b antas å ha blitt dannet i store skiver av gass og støv rundt unge stjerner. Slike protoplanetariske skiver inneholder råstoffet planetene bygges av. Den kjemiske sammensetningen i en kjempeplanets ytre atmosfære kan derfor bevare spor av miljøet der planeten opprinnelig ble dannet.

Stjernen og skiven rundt den oppstår fra den samme skyen av materiale. Forskere har derfor lenge antatt at de inneholder omtrent de samme forholdene mellom grunnstoffer som danner bergarter. Forholdet mellom disse grunnstoffene i skiven er ventet å ligne forholdet som kan måles i den sentrale stjernen.

Denne koblingen er viktig når astronomer skal forutsi sammensetningen til steinplaneter utenfor solsystemet. Før funnet ved WASP-189b hadde astronomene imidlertid ikke målt den samme sammenhengen direkte for en planet i bane rundt en annen stjerne. De nye målingene gir dermed en observasjonsmessig forankring for å bruke stjernenes kjemi til å forstå materialene fjerne planeter dannes av.

«WASP-189b gir oss et sårt tiltrengt observasjonspunkt i forståelsen av dannelsen av jordlignende planeter. Den gir oss en målbar størrelse som bekrefter den antatte likheten mellom stjernenes sammensetning og andelen steindannende materiale rundt vertsstjerner, som planetene dannes av», sier Sanchez.

Kan bli nyttig i jakten på beboelige verdener

Betydningen strekker seg utover spørsmålet om hvordan planeter settes sammen. Sammenhengen mellom en stjernes og en planets kjemi er også relevant for astrobiologien, som undersøker muligheten for liv utenfor jorden og miljøforhold som kan støtte liv, også i beboelige områder i vårt eget solsystem.

Ved å studere grunnstoffene i en stjerne kan astronomene kanskje anslå de relative mengdene av steindannende materialer som er tilgjengelige for planetene rundt den. Materialene påvirker planetens indre struktur, geologiske aktivitet og kjemiske miljø. Alt dette kan ha betydning for om forhold som egner seg for liv, kan utvikle seg.

Jorden illustrerer hvorfor den kjemiske sammensetningen er relevant. Grunnstoffene planeten består av, påvirker blant annet platetektonikk, dannelsen av det beskyttende magnetfeltet og transporten av viktige kjemiske stoffer til atmosfæren, havene og jordsmonnet. Til sammen bidrar prosessene til miljøet der liv kan trives.

Når forskerne etter hvert skal undersøke mindre steinplaneter mer detaljert, blir det stadig viktigere å etablere en pålitelig forbindelse mellom stjernenes kjemi og planetenes sammensetning. Funnene ved WASP-189b er et vesentlig skritt i den retningen.

Krever teleskoper på bakken

Slike målinger krever instrumenter som kan skille svært små detaljer i lyset fra fjerne planetatmosfærer. Forskerne opplyser at den spektrale oppløsningen som trengs for denne typen analyse, foreløpig bare er tilgjengelig med bakkebaserte teleskoper.

«Studien vår viser at høyoppløselige spektrografer på bakken kan sette grenser for viktige stoffer som magnesium og silisium – to grunnstoffer som er sentrale byggesteiner i steinplaneter», sier medforfatter Michael Line, førsteamanuensis ved ASU. «Denne utviklingen åpner en helt ny dimensjon i studiet av eksoplanetatmosfærer.»

Forskerlaget venter at framtidige observasjoner ved flere bølgelengder, og med instrumenter med tilsvarende presisjon, kan påvise et bredere spekter av grunnstoffer i eksoplanetatmosfærer. Et mer fullstendig bilde av den kjemiske sammensetningen kan gi flere spor om hvordan planeter dannes, hvordan de endrer seg over tid, og hvilke forhold som kan fremme beboelighet.