Astronomen vermoedden al langer dat de massa van een planeet en zijn rotatiesnelheid met elkaar verband houden. In ons eigen zonnestelsel zijn Jupiter en Saturnus sprekende voorbeelden. Ondanks hun enorme omvang voltooien beide in ongeveer 10 uur een volledige rotatie en zijn ze verantwoordelijk voor een groot deel van de totale rotatie-energie van het zonnestelsel.
Om te testen of deze relatie verder reikt dan onze kosmische buurt, gebruikten onderzoekers de W. M. Keck-sterrenwacht op Maunakea, Hawaï, om een grote steekproef van verre reuzenwerelden te bestuderen. Hun onderzoek omvatte 32 gasreuzen en bruine dwerggezellen in andere sterrenstelsels, waaronder 6 planeten groter dan Jupiter en 25 bruine dwerggezellen.
De waarnemingen onthulden een intrigerende trend. Wanneer factoren zoals massa, grootte en leeftijd in aanmerking worden genomen, hebben gasreuzen de neiging sneller te roteren dan massievere bruine dwergen. Om hun analyse te versterken, namen de onderzoekers ook eerdere rotatiemetingen uit andere studies op, waardoor een zorgvuldig geselecteerde dataset ontstond met 43 stellaire/substellaire metgezellen en reuzenplaneten, samen met 54 vrij zwevende bruine dwergen en planetaire massa-objecten.
Het internationale team stond onder leiding van wetenschappers van het Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) van de Northwestern University. Samenwerkers waren onder meer onderzoekers van het Center for Astrophysics and Space Sciences (CASS) aan UC San Diego, de Division of Geological & Planetary Sciences (GPS) aan Caltech, de W. M. Keck-sterrenwacht, het Steward Observatory, het James C. Wyant College of Optical Sciences, NASA's Jet Propulsion Laboratory en verschillende andere instellingen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in The Astronomical Journal.
Veel van de onderzochte planeten draaien om hun sterren op afstanden variërend van tientallen tot honderden Astronomische Eenheden (AE), de afstand tussen de aarde en de zon. Wetenschappers proberen nog steeds te achterhalen hoe deze verre werelden ontstaan. Sommige kunnen geleidelijk ontstaan in schijven van gas en stof rond jonge sterren, terwijl andere kunnen ontstaan via een proces dat meer lijkt op de ineenstorting die sterren zelf creëert.
Om dit te onderzoeken gebruikten de onderzoekers de Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), een gespecialiseerd instrument dat in staat is om licht dat rechtstreeks van deze verre werelden komt te isoleren. Wanneer een planeet roteert, veroorzaken kenmerken in zijn atmosfeer subtiele verbreding in zijn spectrum. Door deze veranderingen te meten, kunnen astronomen bepalen hoe snel het object draait.
Hoofdauteur Dino Chih-Chun Hsu, een onderzoeker bij CIERA, legde de betekenis van deze metingen uit in een persbericht van de W. M. Keck-sterrenwacht: "Rotatie is een fossiel record van hoe een planeet is gevormd. Door te meten hoe snel deze werelden draaien, kunnen we beginnen de fysieke processen te ontrafelen die hen tientallen tot honderden miljoenen jaren geleden hebben gevormd. Met KPIC kunnen we deze kleine signalen detecteren die de rotatie van een planeet rond andere nabije sterren onthullen. Onze resultaten suggereren dat zowel de massa van de planeet als de verhouding tussen de massa van de planeet en die van zijn ster beïnvloeden hoe snel de planeet uiteindelijk draait. Dat helpt ons de fysica van hoe deze systemen ontstaan te verfijnen."
Een reuzenplaneet draait sneller dan een veel grotere buur
Een van de duidelijkste voorbeelden komt van het HR 8799-systeem. Daar draait een gasreus van ongeveer 7 keer de massa van Jupiter zes keer sneller dan een bruine dwerggezel die ruwweg 24 keer de massa van Jupiter heeft.
Onderzoekers denken dat het verschil verband kan houden met magnetische interacties vroeg in de geschiedenis van de objecten. Een sterker magnetisch veld kan intenser interageren met de omringende circumplanetaire schijf, waardoor de rotatie in de loop van de tijd vertraagt. In dit geval heeft de massievere bruine dwerg waarschijnlijk meer van zijn oorspronkelijke spin verloren vanwege zijn sterkere magnetische veld.
De bevindingen helpen wetenschappers niet alleen om verre planetaire systemen beter te begrijpen, maar ook de oorsprong van ons eigen zonnestelsel. Hsu zei: "De manier waarop impulsmoment over planeten wordt verdeeld, beïnvloedt de algehele architectuur van een planetair systeem."