Astronomer har länge misstänkt att en planets massa och dess rotationshastighet hänger ihop. I vårt eget solsystem är Jupiter och Saturnus slående exempel. Trots sin enorma storlek fullbordar båda en full rotation på cirka 10 timmar och står för en stor del av solsystemets totala rotationsenergi.

För att testa om detta samband sträcker sig bortom vår kosmiska granngård använde forskare W. M. Keck-observatoriet på Maunakea, Hawaii, för att studera ett stort urval av avlägsna jättevärldar. Deras undersökning omfattade 32 gasjättar och bruna dvärgkompanjoner i andra stjärnsystem, inklusive 6 planeter större än Jupiter och 25 bruna dvärgkompanjoner.

Observationerna avslöjade en intressant trend. När faktorer som massa, storlek och ålder beaktas tenderar gasjätteplaneter att rotera snabbare än mer massiva bruna dvärgar. För att stärka sin analys inkluderade forskarna även tidigare rotationsmätningar från andra studier, vilket skapade ett noggrant utvalt dataset med 43 stjärn-/substellära kompanjoner och jätteplaneter, tillsammans med 54 fritt flytande bruna dvärgar och planetmassobjekt.

Det internationella teamet leddes av forskare vid Northwestern Universitys Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Samarbetspartners inkluderade forskare från Center for Astrophysics and Space Sciences (CASS) vid UC San Diego, Division of Geological & Planetary Sciences (GPS) vid Caltech, W. M. Keck-observatoriet, Steward Observatory, James C. Wyant College of Optical Sciences, NASA:s Jet Propulsion Laboratory och flera andra institutioner. Deras resultat publicerades i The Astronomical Journal.

Många av de undersökta planeterna kretsar kring sina stjärnor på avstånd från tiotals till hundratals astronomiska enheter (AU), avståndet mellan jorden och solen. Forskare försöker fortfarande fastställa hur dessa avlägsna världar bildas. Vissa kan gradvis uppstå i skivor av gas och damm som omger unga stjärnor, medan andra kan bildas genom en process som mer liknar den kollaps som skapar stjärnor själva.

För att undersöka detta använde forskarna Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), ett specialiserat instrument som kan isolera ljus som kommer direkt från dessa avlägsna världar. När en planet roterar orsakar egenskaper i dess atmosfär subtil breddning i dess spektrum. Genom att mäta dessa förändringar kan astronomer bestämma hur snabbt objektet snurrar.

Huvudförfattaren Dino Chih-Chun Hsu, en forskare vid CIERA, förklarade betydelsen av dessa mätningar i ett pressmeddelande från W. M. Keck-observatoriet: "Rotation är ett fossilt minne av hur en planet bildades. Genom att mäta hur snabbt dessa världar roterar kan vi börja pussla ihop de fysiska processer som formade dem för tiotals till hundratals miljoner år sedan. Med KPIC kan vi upptäcka dessa små signaler som avslöjar en planets rotation runt andra närliggande stjärnor. Våra resultat tyder på att både planetens massa och förhållandet mellan planetens massa och dess stjärnas massa påverkar hur snabbt planeten slutligen snurrar. Det hjälper oss att begränsa fysiken för hur dessa system bildas."

En jätteplanet snurrar snabbare än en mycket större granne

Ett av de tydligaste exemplen kommer från systemet HR 8799. Där roterar en gasjätte med ungefär 7 gånger Jupiters massa sex gånger snabbare än en brun dvärgkompanjon som är ungefär 24 gånger Jupiters massa.

Forskare tror att skillnaden kan vara kopplad till magnetiska interaktioner tidigt i objektens historia. Ett starkare magnetfält kan interagera mer intensivt med den omgivande circumplanetära skivan, vilket saktar ner rotationen över tid. I detta fall förlorade den mer massiva bruna dvärgen troligen mer av sin ursprungliga rotation på grund av sitt starkare magnetfält.

Resultaten hjälper forskare att bättre förstå inte bara avlägsna planetsystem utan också ursprunget till vårt eget solsystem. Hsu sa: "Sättet som rörelsemängdsmoment fördelas mellan planeter påverkar den övergripande arkitekturen i ett planetsystem."