Gåtan med de heta jätteplaneterna

Universum innehåller många olika sorters planeter, och förvånans­värt många av dem är stora gasplaneter som kretsar mycket nära sin värdstjärna. På engelska brukar de kallas Hot Jupiters på grund av sin likhet med gasjätten Jupiter och för att de är kraftigt upphettade av sin närhet till en stjärna. De är nog bland de mest besynnerliga planeter som finns. Jätteplaneter av gas borde inte kunna uppstå så nära en stjärna, på grund av den höga temperaturen och de kaotiska virvlarna, som hindrar materien från att samlas ihop till en planet. Frågan är alltså hur det alls kan finnas sådana heta gasjättar.

I dag vet vi att planeter kan flytta på sig genom att växelverka med den ursprungliga skivan av gas och stoft, och på så vis hamna i banor som är helt annorlunda än de där de först bildades. Det bör ha hänt även i solsystemet (se F&F 5/2020). Gasjättar som bildas längre ut i ett system skulle alltså kunna migrera in närmare sin stjärna. Mycket tyder ändå på att det finns något mer bakom mysteriet med heta Jupiter-planeter. Som vi ska se finns det nya rön som tyder på att de hör ihop med en viss kategori av stjärnor, och här kanske nyckeln finns. Jag deltar i skrivande stund i ett försök att lösa mysteriet tillsammans med ett gäng forskare från olika länder i Europa.

Nobelpriset i fysik år 2019 till­dela­des de schweiziska astronomerna Michel Mayor och Didier Queloz för den första upptäckten av en planet i bana kring en annan stjärna vars egenskaper liknade solens. Upptäckten publicerades i oktober 1995 och slog ner som en bomb i astronom­samhället. Vårt solsystem var inte längre ensamt i universum. Planeter kunde kanske finnas kring vilka stjärnor som helst. Men ingen hade förväntat sig en sådan planet som schweizarna upptäckte.

Denna första upptäckta planet har fått namnet Dimidium. Vid det här laget har den hunnit få sällskap av cirka 5 000 andra ”exoplaneter”, det vill säga planeter kring andra stjärnor. Dess massa är åtminstone hälften av den hos Jupiter, solsystemets överlägset tyngsta planet, men medan Jupiter går ett varv runt solen på cirka 12 år har Dimidium en omloppstid runt stjärnan 51 Pegasi på bara fyra dygn. Detta betyder att den rusar runt sin stjärna i mycket hög fart på mycket litet avstånd. Banans radie är bara 5 procent av jordbanans, med påföljd att planeten hettas upp till cirka 1 000 grader Celsius.

Ungefär en femtedel av alla kända exoplaneter räknas till samma ka­te­go­ri som Dimidium, heta Jupiterliknande planeter. Sådana egendomliga planeter är alltså ganska vanligt förekommande. I det kosmiska menageri av exoplaneter som vi nu ser framför oss finns det mycket som ter sig märk­ligt och främmande, men heta Jupiter-planeter är ett av de stora mysterierna.

Frågan om deras ursprung kom som ett brev på posten, och flera idéer har framförts. I allmänhet har astronomer tittat på hur stjärnorna och planetsystemen kan födas och försökt se vad som kan ha hänt inuti de unga systemen. Kunde något lika gärna ha gått på tok i vårt solsystem, så att Jupiter hade hamnat bland de heta? Men nu verkar det snarare som om svaret på frågan ligger ute i Vinter­gatans ofantliga rymder. För att förklara detta måste jag först berätta om Gaia-projektet.

Gaia-satelliten rör sig i närheten av en stabil punkt, oftast benämnd L2, på linjen från solen till jorden cirka 1,5 miljoner kilometer utanför jordens läge. Därifrån kan den stän­digt observera den nattsvarta stjärnhimlen i riktningar bort från solen. Gaia sköts upp för tio år sedan av den europeiska rymdstyrelsen ESA. Dess mest betydande astronom har ända från början varit min kol­lega, professor emeritus Lennart Lindegren vid Lunds universitet.

Tack vare Gaias sinnrika konstruk­tion har den kunnat observera så mycket som en miljard stjärnor i Vinter­gatan, oftast gång på gång vid olika tillfällen, och bestämt deras positioner med enorm precision. Med Gaias kataloger finns alltså en enormt stor databas för att utforska hur olika områden i Vintergatan ter sig med avseende på stjärnornas positioner och hastigheter.

Gaia har revolutionerat astro­nomin på flera olika sätt, och dess vetenskapliga arvegods kommer att gå till historien. Ett exempel gäller just dessa heta Jupiter-planeter. 2020 publicerades en artikel av forskar­gruppen kring astronomen Diederik Kruijssen i Heidelberg, där författarna med hjälp av Gaia-data kastade nytt ljus över ursprunget till dessa märkvärdiga planeter.

Astronomerna undersökte de nära omgivningarna kring ett antal värdstjärnor till olika slags exoplaneter med avseende på de olika stjärnornas hastigheter. I Gaia-teleskopets katalog kan man i allmänhet se två sorters stjärnor. Den ena typen har hastigheter fördelade som man väntar sig av ett slumpmässigt urval av Vintergatans stjärnor. Men den andra typen samlar sig till ett begränsat intervall med tämligen likartade hastigheter. Dessa ansamlingar av stjärnor med likartade hastigheter tycks svara mot en sorts stjärnströmmar, vars medlemmar tågar på i enighet längs en gemensam bana kring Vintergatans centrum.

Den uppseendeväckande slutsatsen var att stjärnorna som har följeslagare i form av heta gasjättar så gott som alltid hör till dessa stjärnströmmar. Hur kan det komma sig att dessa heta jätteplaneter finns just kring dessa stjärnor? En lika viktig fråga är varför de inte finns kring de andra stjärnorna.

I och med detta kan man utesluta alla idéer som bygger på att något skevt hände i planet­systemen när de bildades. Vad som hände inom ett system när det var ungt kan inte påverka vilken kategori stjärnan tillhör när Gaia observerar den hundratals miljoner eller en miljard år senare. Man måste i stället fråga sig om heta gasjättar finns kring vissa värdstjärnor just därför att de är medlemmar av stjärnströmmar. Grupper av stjärnor är annars oftast kortlivade och skingras på kortare tid än de flesta planeter har funnits till. Medlemmar av stjärnströmmar har däremot en relativt stor chans till mycket långsamma närpassager med andra stjärnor i samma ström. Kanske är detta en avgörande ledtråd. Det skulle kunna vara så att störningar från andra stjärnor i omgivningen slungar in planeter i extrema banor.

Diederik Kruijssen och hans kollegor ingår i det gäng forskare från olika europeiska länder som arbetar vidare med dessa frågor och där jag också är med. Vårt arbete stöds av International Space Science Institute (ISSI) i Bern, där vi träffas och arbetar vidare med dessa frågor.

Visst vore det väl snyggt om vi skulle lyckas! I så fall skulle det jobbiga problemet med heta Jupiter-planeter, som en gång väcktes i Schweiz, också till slut få sin lösning där.