Planeter oppstår ved at støv, stein og is samler seg i stadig større klumper. Punktum. Slik har den vanlige oppfatningen vært de siste femti årene. Men de aller største planetene i fremmede solsystemer passer ikke helt inn i malen.
I løpet av de siste 15 årene har planetforskerne observert over tre hundre såkalte supergasskjemper som er opptil 13 ganger så tunge som Jupiter og går i bane rundt stjernene sine på så stor avstand at de neppe kan være samlet fra bunnen av på den klassiske måten.
For ti år siden la derfor en gruppe astronomer fram en teori om at supergasskjempene oppstår mye raskere, i en prosess som minner om fødselen av en stjerne.
Imidlertid har de ikke hatt beviser.
Men nå har den amerikanske astronomen Thayne Currie og forskergruppen hans ved det japanske Subaru-teleskopet på Hawaii for første gang fotografert fødselen av en fjern supergasskjempe og bekreftet at planeter kan oppstå ved en helt ny mekanisme.
Ligger veldig langt fra stjernen
De aller fleste av de 5125 eksoplanetene som astronomene har funnet til nå, er oppdaget indirekte, ved at planetens skygge har blitt observert når planeten beveger seg inn foran stjernen. Men enkelte planeter kan faktisk observeres direkte.
Bildene tas ved at teleskoper utstyres med en koronagraf – en skive som blokkerer det kraftige lyset fra stjernen slik at det mye svakere gjenskinnet fra planeten blir synlig.
Subaru-teleskopet på Hawaii var det første til å observere fødselen av supergasskjempen Aurigae b. Romteleskopet Hubble har senere bekreftet Subarus funn.
Metoden er særlig velegnet til å oppdage supergasskjemper fordi de er så store og går i bane rundt stjernene sine på så ekstreme avstander at teleskopene kan skille mellom de to lyskildene og isolere det svake lyset fra planeten.
I 2016 oppdaget det 8,2 meter vide Subaru-teleskopet den unge stjernen AB Aurigae. De første bildene uten koronagraf viste den bare to millioner år gamle stjernen omgitt av en roterende skive av støv og gass.
Da astronomene senere dempet stjernelyset med koronagrafen, tydet alt på at en gigantisk nyfødt gassplanet, som ble døpt Aurigae b, gikk i bane rundt stjernen 93 ganger så langt unna som avstanden mellom solen og jorden.
Teleskop fotograferte fødeavdelingen
1 Stjernelyset skjuler planeten
På bilder uten filter ser den bare to millioner år gamle stjernen ut som en strålende prikk i sentrum. Stjernelyset er så sterkt at det drukner det svake gjenskinnet fra den gigantiske gassplaneten Aurigae b i utkanten av planetsystemet.
2 Solskjerm blokkerer det sterke lyset
Når teleskopet utstyres med en koronagraf, som skygger for stjernelyset, fanger kameraet opp gjenskinnet fra Aurigae b nederst i bildet. Siden supergasskjempen er ekstremt langt unna stjernen, kan de to lyskildene skilles fra hverandre.
3 Kjempen er altfor langt ute
Aurigae b befinner seg hele 13,95 milliarder kilometer fra stjernen sin. Det er tre ganger så langt unna som solsystemets fjerneste planet, Neptun (innerste ring), er fra solen. Så langt ute burde ikke planeter kunne oppstå – ifølge den klassiske teorien.
Men astronomene var ikke helt sikre i sin sak. Først da romteleskopet Hubble også fokuserte på stjernen, og observasjonene ble kombinert, forsvant den siste tvilen.
For første gang observerte astronomene fødselen av en supergasskjempe superlangt fra stjernen sin. Det var bare ett problem. Planeten burde nemlig ikke kunne oppstå så langt unna – i hvert fall ikke ifølge planetforskernes klassiske teorier.
En dyrehage av eksoplaneter
Fram til funnet av de første eksoplanetene for snart tretti år siden mente astronomene at alle planetsystemer burde ligne på solsystemet, med små steinplaneter som jorden innerst, gasskjemper som Jupiter i midten og isplaneter som Neptun i de ytre delene.
Men den oppfatningen har for lengst blitt forlatt.
5125 eksoplaneter hadde astronomene registrert i august 2022.
Planetforskerne har for eksempel oppdaget Jupiter-lignende planeter som ligger nær stjernen slik at de har en temperatur på flere tusen grader. De store gassplanetene kan umulig være dannet i den varmen. De må ha kommet fra kjøligere områder lenger ute i planetsystemet.
Astronomene har også funnet massevis av planeter i vektklassen mellom jorden og Neptun, for eksempel store superjorder, vannkloder og små gassplaneter som aldri kunne eksistere i vårt eget solsystem.
En ting har eksoplanetene imidlertid til felles med solsystemets åtte planeter – de er skapt på den samme måten, slik den klassiske teorien foreskriver: Støv, stein og is har samlet seg i en bane rundt en stjerne og vokst seg stadig større helt til en planet oppstår.
Før funnet av supergasskjempene gikk astronomene ut fra at alle planeter ble dannet ved at stein, støv og is samlet seg til en stadig større masse.
Men funnet av Aurigae b og resten av supergasskjempene utfordrer denne klassiske skapelsesberetningen. Planetene ser nemlig ut til å ha oppstått helt ute i de ytterste områdene av planetsystemene, der det er altfor lite støv og gass til å bygge en planet fra bunnen.
Det er usannsynlig at gigantene er født lenger inne i den tette gasskiven rundt stjernen og slynget ut dit av tyngdekraften til andre kjempeplaneter, for supergasskjempene går i bane rundt stjernene sine i sirkulære baner i samme plan, noe som er typisk for planeter som fortsatt befinner seg nær det stedet der de ble dannet.
For å forstå hvordan en supergasskjempe kan oppstå i den tynne gassen langt fra stjernen, må vi se nærmere på tyngdekraften.
Tyngdekraften samlet gasskjempe
Når en ung stjerne blir født, er den første tiden preget av voldsomme bevegelser i gasskiven som omgir den. Bevegelsene kan skape variasjoner i gravitasjonsfeltet ytterst i skiven slik at det oppstår områder med sterke og svake gravitasjonsfelt.
Ifølge den nyeste teorien fra Thayne Currie og resten av planetforskerne drar et sterkt gravitasjonsfelt den tynne gassen sammen til en stor tettpakket sky. Til slutt blir skyen så tung og ustabil at den kollapser og føder supergasskjempen.
Ustabil gassky føder supergasskjempen
1 Tynn gass ligger lengst unna
Den unge stjernen er omgitt av en roterende skive av støv og gass. Klassisk planetdannelse kan skje i den indre, tette delen av skiven, men i den ytre delen er det umulig å bygge en supergasskjempe fra bunnen siden gassen er altfor tynn.
2 Ustabil gass fortetter seg
Gravitasjonsfeltet i den tynne gasskiven varierer på grunn av bevegelser i det kaotiske, unge solsystemet. Noen steder blir gravitasjonsfeltet svakere, men i et forsterket område drar tyngdekraften en gigantisk ustabil gassky sammen.
3 Giganten danner kjernen sin selv
Gasskyen kollapser plutselig, og en supergasskjempe i full størrelse oppstår. Støvpartikler trekkes inn i midten av planeten, der de smelter sammen til en stor og tung kjerne som tiltrekker seg mer gass fra omgivelsene.
4 Supergasskjempe spiser seg større
I banen rundt stjernen støvsuger den nyfødte planeten ubønnhørlig området for gass og vokser seg stadig større. Til slutt har kjempen ryddet en stor del av skiven for alt annet og er nå opptil 13 ganger så tung som Jupiter.
Prosessen minner om den måten stjerner blir dannet på, og er et tegn på at tyngdekraften på en eller annen måte alltid får dratt mesteparten av materialet rundt en stjerne sammen til planeter.
«Naturen er smart og produserer ikke bare kopier av solsystemet, men en lang rekke helt ulike planetsystemer. Og systemet med supergasskjempen er et av de merkeligste har sett», sier Thayne Currie.
Milliarder av supergasskjemper
Supergasskjemper er sjeldne og vil trolig utgjøre under en prosent av alle planeter i Melkeveien. Likevel mener astronomene at det finnes 46 milliarder av dem i galaksen vår. Det store spørsmålet er nå om alle blir født fullt ferdige, som Aurigae b.
«Naturen er smart og produserer ikke bare kopier av solsystemet, men en lang rekke helt ulike planetsystemer.» Thayne Currie, astronom ved Subaru-teleskopet
For å finne ut av det må astronomene måle temperaturen på de unge planetene.
Hvis en supergasskjempe blir født direkte i en kollaps av en stor gassky, vil den være ekstremt varm fordi all varmen som utløses når gassen raskt presses sammen, isoleres inne i planeten. Deretter blir varmen bare sakte frigjort gjennom millioner av år, slik at planeten vil fortsette å være glødende varm lenge.
Hvis supergasskjempen i stedet er dannet på den klassiske måten ved først å bygge opp en stor kjerne av støv og is som tiltrekker seg gass over en lengre periode, oppstår det motsattrettede trykkbølger når gassen treffer kjernen.
Trykkbølgene beveger seg deretter utover og demper farten til gassen som faller inn. Og når gassen mister fart, sender den en stor del av energien sin ut som varme på vei inn mot kjernen.
Med andre ord vil en supergasskjempe som har støvsugd nærområdet for gass fra bunnen av, være mye kaldere enn hvis den var født ved en direkte kollaps av en gassky.
Romteleskop kan avsløre prosess
Denne avslørende forskjellen i temperatur fortsetter i noen hundre millioner år etter fødselen. Deretter er forskjellen utliknet, og alle spor av opprinnelsen forsvinner. Derfor vil ikke observasjoner av modne supergasskjemper, som er flere milliarder år gamle, fortelle noe.
Heldigvis oppdager astronomene fortsatt flere og flere unge planeter som Aurigae b som kan avsløre om supergasskjempene blir født ved en direkte kollaps av en gassky eller om det bare gjelder for noen få.
En av måtene å avsløre det på, er ved hjelp av Nasas romteleskop James Webb, som nettopp er skutt opp. Teleskopet har det skarpeste synet astronomene noen gang har hatt til rådighet, og det er utrustet med mye mer avanserte koronagrafer enn forgjengeren Hubble.
Men ikke nok med det: Hubble observerer verdensrommet i synlig lys, mens James Webb registrerer infrarød stråling, og derfor er romteleskopet nærmest skreddersydd for å ta temperaturen på unge supergasskjemper i andre planetsystemer.
Med det nye verktøyet får astronomene gode sjanser til å avgjøre om AB Aurigae b er unntaket fra regelen – eller om supergasskjempens dramatiske og fjerne fødsel er den normale opprinnelsen til universets aller største planeter.