Bildandet av superjordar har visat sig vara begränsat nära metallfattiga stjärnor

I en ny studie rapporterar astronomer nya bevis för gränserna för planetbildning och konstaterar att efter en viss punkt har planeter som är större än jorden svårt att bildas nära stjärnor med låg metallicitet.

Med solen som baslinje kan astronomer mäta när en stjärna bildades genom att bestämma dess metallicitet, eller nivån av tunga grundämnen som finns i den. Metallrika stjärnor eller nebulosor bildades relativt nyligen, medan metallfattiga objekt sannolikt fanns i det tidiga universum.

Tidigare studier har visat att det finns ett svagt samband mellan metallicitet och planetbildning, och att när en stjärnas metallicitet sjunker, så sjunker också planetbildningen för vissa planetpopulationer, som sub-Saturner eller sub-Neptuner.

Detta arbete är dock det första som observerar att enligt nuvarande teorier blir bildandet av superjordar nära metallfattiga stjärnor betydligt svårare, vilket tyder på en strikt gräns för de förhållanden som krävs för att en superjord ska kunna bildas, säger huvudförfattaren Kiersten Boley, som nyligen tog sin doktorsexamen i astronomi vid Ohio State University.

”När stjärnor genomgår en livscykel berikar de det omgivande rummet tills det finns tillräckligt med metaller eller järn för att bilda planeter”, säger Boley. ”Men även för stjärnor med lägre metallhalter trodde man allmänt att antalet planeter som kunde bildas aldrig skulle bli noll.”

Andra studier har hävdat att planetbildningen i Vintergatan bör börja när stjärnorna har en metallicitet på mellan minus 2,5 och minus 0,5, men fram till nu har den teorin inte kunnat bevisas.

För att testa denna förutsägelse utvecklade teamet och sökte sedan igenom en katalog med 10 000 av de mest metallfattiga stjärnorna som observerats av NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Om detta stämmer skulle extrapolering av kända trender för att söka efter små, kortperiodiska planeter runt en region med 85 000 metallfattiga stjärnor ha lett till att de upptäckte cirka 68 superjordar.

Överraskande nog upptäckte forskarna i detta arbete ingen, säger Boley. ”Vi hittade i princip en klippa där vi förväntade oss att se en långsam eller gradvis sluttning som fortsätter”, säger hon. ”De förväntade förekomstfrekvenserna stämmer inte alls överens.”

Studien publicerades i The Astronomical Journal.

Den här klippan, som ger forskarna en tidsram under vilken metallhalten var för låg för att planeter skulle kunna bildas, sträcker sig till ungefär halva universums ålder, vilket innebär att superjordar inte bildades tidigt i universums historia.

”Sju miljarder år sedan är förmodligen den perfekta punkten där vi börjar se en anständig bildning av superjordar”, säger Boley.

Eftersom majoriteten av de stjärnor som bildades före denna tid har låg metallicititet och skulle ha behövt vänta tills Vintergatan hade berikats av generationer av döende stjärnor för att skapa rätt förutsättningar för planetbildning, föreslår resultaten dessutom en övre gräns för antalet och fördelningen av små planeter i vår galax.

”I en stjärntyp som liknar vår vet vi nu att vi inte kan förvänta oss att planetbildningen är riklig när man passerar en negativ 0,5 metallicitetsregion”, säger Boley. ”Det är ganska slående eftersom vi faktiskt har data som visar det nu.”

Vad som också är slående är studiens konsekvenser för dem som söker efter liv bortom jorden, eftersom ett mer exakt grepp om planetbildningens komplikationer kan förse forskare med detaljerad kunskap om var i universum liv kan ha blomstrat.

”Man vill inte söka i områden där liv inte skulle vara gynnsamt eller i områden där man inte ens tror att man kommer att hitta en planet”, säger Boley. ”Det finns bara en uppsjö av frågor som man kan ställa om man vet de här sakerna.”

Det kan till exempel handla om att avgöra om dessa exoplaneter innehåller vatten, hur stor deras kärna är och om de har utvecklat ett starkt magnetfält, vilket är förutsättningar för att skapa liv.

För att kunna tillämpa sitt arbete på andra typer av planetbildningsprocesser kommer teamet sannolikt att behöva studera olika typer av superjordar under längre perioder än vad de kan idag. Lyckligtvis kan framtida observationer göras med hjälp av kommande projekt som NASA:s Nancy Grace Roman Space Telescope och Europeiska rymdorganisationens PLATO-uppdrag, som båda kommer att utöka sökandet efter markbundna planeter i beboeliga zoner som vår egen.

”Dessa instrument kommer att vara mycket viktiga när det gäller att ta reda på hur många planeter som finns där ute och få så många uppföljande observationer som möjligt”, säger Boley.

Övriga medförfattare är Ji Wang från Ohio State; Jessie Christiansen, Philip Hopkins och Jon Zink från California Institute of Technology; Kevin Hardegree-Ullman och Galen Bergsten från University of Arizona; Eve Lee från McGill University; Rachel Fernandes från Pennsylvania State University; och Sakhee Bhure från University of Southern Queensland.

För mer information: Kiersten M. Boley et al, The First Evidence of a Host Star Metallicity Cutoff in the Formation of Super-Earth Planets, The Astronomical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad6570