Un team di astronomi guidato da Brendan Bowler dell'Università del Texas ad Austin ha sondato il processo di formazione di esopianeti giganti e nane brune, una classe di oggetti più massicci dei pianeti giganti, ma non abbastanza massiccio da innescare la fusione nucleare nei loro nuclei per brillare come vere stelle.

Utilizzando l'imaging diretto con telescopi terrestri alle Hawaii-W. M. Keck Observatory e Subaru Telescope su Maunakea:il team ha studiato le orbite di queste deboli compagne in orbita attorno a stelle in 27 sistemi. Questi dati, combinato con la modellazione delle orbite, hanno permesso loro di determinare che le nane brune in questi sistemi si formavano come stelle, ma i giganti gassosi si sono formati come pianeti.

La ricerca è pubblicata nell'attuale numero di Il Giornale Astronomico .

Negli ultimi due decenni, i progressi tecnologici hanno permesso ai telescopi di separare la luce da una stella madre e da un oggetto orbitante molto più debole. Nel 1995, questa nuova capacità ha prodotto le prime immagini dirette di una nana bruna in orbita attorno a una stella. La prima immagine diretta dei pianeti in orbita attorno a un'altra stella è stata seguita nel 2008.

"Negli ultimi 20 anni, abbiamo saltato giù e giù in massa, " Bowler ha detto della capacità di imaging diretto, notando che il limite attuale è di circa 1 massa di Giove. Poiché la tecnologia è migliorata, "Una delle grandi domande che è emersa è 'Qual è la natura dei compagni che stiamo trovando?'"

nane brune, come definito dagli astronomi, hanno masse comprese tra 13 e 75 masse di Giove. Hanno caratteristiche in comune sia con i pianeti che con le stelle, e Bowler e il suo team volevano risolvere la questione:i pianeti giganti gassosi ai margini esterni dei sistemi planetari sono la punta dell'iceberg planetario, o l'estremità a bassa massa delle nane brune? Ricerche passate hanno dimostrato che le nane brune orbitanti intorno alle stelle probabilmente si sono formate come stelle di piccola massa, ma è stato meno chiaro quale sia il compagno di massa più basso che questo meccanismo di formazione può produrre.

"Un modo per arrivare a questo è studiare le dinamiche del sistema, osservare le orbite, " disse Bowler. Le loro orbite oggi contengono la chiave per sbloccare la loro evoluzione.

Utilizzando il sistema di ottica adattiva (AO) dell'Osservatorio Keck con la fotocamera nel vicino infrarosso, strumento di seconda generazione (NIRC2) sul telescopio Keck II, così come il telescopio Subaru, Il team di Bowler ha scattato immagini di pianeti giganti e nane brune mentre orbitano attorno alle loro stelle madri.

È un processo lungo. I giganti gassosi e le nane brune che hanno studiato sono così distanti dalle loro stelle madri che un'orbita può richiedere centinaia di anni. Per determinare anche una piccola percentuale dell'orbita, "Prendi un'immagine, aspetti un anno, " per il debole compagno di viaggiare un po', ha detto il giocatore di bocce. Poi "prendi un'altra immagine, aspetta un altro anno."

Questa ricerca si è basata sulla tecnologia AO, che consente agli astronomi di correggere le distorsioni causate dall'atmosfera terrestre. Poiché gli strumenti AO sono continuamente migliorati negli ultimi tre decenni, più nane brune e pianeti giganti sono stati ripresi direttamente. Ma poiché la maggior parte di queste scoperte sono state fatte negli ultimi dieci o due anni, il team ha solo immagini corrispondenti a una piccola percentuale dell'orbita totale di ciascun oggetto. Hanno combinato le loro nuove osservazioni di 27 sistemi con tutte le precedenti osservazioni pubblicate da altri astronomi o disponibili negli archivi dei telescopi.

A questo punto, entra in gioco la modellazione al computer. I coautori di questo articolo hanno contribuito a creare un codice adatto all'orbita chiamato "Orbitize!" che utilizza le leggi del moto planetario di Keplero per identificare quali tipi di orbite sono coerenti con le posizioni misurate, e quali no.

Il codice genera un insieme di possibili orbite per ogni compagno. Il leggero movimento di ogni pianeta gigante o nana bruna forma una "nube" di possibili orbite. Più piccola è la nuvola, più gli astronomi si stanno avvicinando alla vera orbita del compagno. E più punti dati, ovvero immagini più dirette di ogni oggetto mentre orbita:raffineranno la forma dell'orbita.

"Piuttosto che aspettare decenni o secoli prima che un pianeta completi un'orbita, possiamo recuperare il tempo di riferimento più breve dei nostri dati con misurazioni della posizione molto accurate, " ha detto il membro del team Eric Nielsen della Stanford University. "Una parte di Orbitize! che abbiamo sviluppato appositamente per adattarsi alle orbite parziali, OFTI [Orbite per gli impazienti], ci ha permesso di trovare orbite anche per i compagni di periodo più lungo."

Trovare la forma dell'orbita è fondamentale:gli oggetti che hanno orbite più circolari probabilmente si sono formati come pianeti. Questo è, quando una nuvola di gas e polvere collassò per formare una stella, il lontano compagno (e qualsiasi altro pianeta) formato da un disco appiattito di gas e polvere che ruotava attorno a quella stella.

D'altra parte, quelli che hanno orbite più allungate probabilmente si sono formati come stelle. In questo scenario, un grumo di gas e polvere stava crollando per formare una stella, ma si è fratturato in due grumi. Ogni grumo poi è crollato, uno che forma una stella, and the other a brown dwarf orbiting around that star. This is essentially a binary star system, albeit containing one real star and one "failed star."

"Even though these companions are millions of years old, the memory of how they formed is still encoded in their present-day eccentricity, " Nielsen added. Eccentricity is a measure of how circular or elongated an object's orbit is.

The results of the team's study of 27 distant companions was unambiguous.

"The punchline is, we found that when you divide these objects at this canonical boundary of more than about 15 Jupiter masses, the things that we've been calling planets do indeed have more circular orbits, as a population, compared to the rest, " Bowler said. "And the rest look like binary stars."

The future of this work involves both continuing to monitor these 27 objects, as well as identifying new ones to widen the study. "The sample size is still modest, at the moment, " Bowler said. His team is using the Gaia satellite to look for additional candidates to follow up using direct imaging with even greater sensitivity at the forthcoming Giant Magellan Telescope (GMT) and other facilities. UT-Austin is a founding member of the GMT collaboration.

Bowler's team's results reinforce similar conclusions recently reached by the GPIES direct imaging survey with the Gemini Planet Imager, which found evidence for a different formation channel for brown dwarfs and giant planets based on their statistical properties.