Ny gren i slægtstræet af exoplaneter opdaget

Siden midten af ​​1990'erne har da den første planet omkring en anden sollignende stjerne blev opdaget, astronomer har samlet, hvad der nu er en stor samling af exoplaneter - næsten 3, 500 er blevet bekræftet indtil videre. I en ny Caltech-ledet undersøgelse, forskere har klassificeret disse planeter på nogenlunde samme måde, som biologer identificerer nye dyrearter og har erfaret, at størstedelen af ​​de hidtil fundet exoplaneter falder i to forskellige størrelsesgrupper:klippejord-lignende planeter og større mini-Neptuner. Holdet brugte data fra NASAs Kepler-mission og W. M. Keck Observatory.

"Dette er en stor ny opdeling i planeternes stamtræ, analogt med at opdage, at pattedyr og firben er forskellige grene på livets træ, " siger Andrew Howard, professor i astronomi ved Caltech og hovedforsker af den nye forskning. Hovedforfatteren af ​​den nye undersøgelse, skal udgives i Det astronomiske tidsskrift , er Benjamin J. (B.J.) Fulton, en kandidatstuderende i Howards gruppe, der deler sin tid mellem Caltech og Institute of Astronomy ved University of Hawaii.

I det væsentlige, deres forskning viser, at vores galakse har en stærk præference for to typer planeter:klippeplaneter op til 1,75 gange jordens størrelse, og gasindhyllede mini-Neptun-verdener, som er fra 2 til 3,5 gange Jordens størrelse (eller noget mindre end Neptun). Vores galakse laver sjældent planeter med størrelser mellem disse to grupper.

"Astronomer kan lide at putte ting i spande, " siger Fulton. "I dette tilfælde, vi har fundet to meget forskellige spande til størstedelen af ​​Kepler-planeterne."

Siden Kepler-missionen blev lanceret i 2009, den har identificeret og bekræftet mere end 2, 300 exoplaneter. Kepler har specialiseret sig i at finde planeter tæt på deres stjerner, så størstedelen af ​​disse planeter kredser tættere end Merkur, som kredser om solen på cirka en tredjedel af Jord-sol afstand. De fleste af disse tætte planeter viste sig at være nogenlunde mellem Jorden og Neptuns størrelse, som er omkring 4 gange jordens størrelse. Men, indtil nu, planeterne viste sig at have en række størrelser, der spænder over dette område og var ikke kendt for at falde i to størrelsesgrupper.

"I solsystemet, der er ingen planeter med størrelser mellem Jorden og Neptun, siger Erik Petigura, medforfatter til undersøgelsen og Hubble Postdoc Fellow ved Caltech. "En af de store overraskelser fra Kepler er, at næsten hver stjerne har mindst én planet, der er større end Jorden, men mindre end Neptun. Vi vil virkelig gerne vide, hvordan disse mystiske planeter er, og hvorfor vi ikke har dem i vores egen solsystem."

Kepler finder planeter ved at lede efter afslørende dyk i stjernelys, når de passerer foran deres stjerner. Størrelsen af ​​dykket er korreleret med planetens størrelse. Men for præcist at kende planeternes størrelse, stjernernes størrelse skal måles.

Caltech-teamet – sammen med kolleger fra flere institutioner, herunder UC Berkeley, University of Hawaii, Harvard Universitet, Princeton University, og University of Montreal – kiggede nærmere på Kepler-planeternes størrelse ved hjælp af Keck Observatory. De brugte år på at indhente spektraldata om stjernerne, der var vært for 2, 000 Kepler planeter. Spektraldataene gjorde det muligt for dem at opnå præcise målinger af størrelsen af ​​Kepler-stjernerne; disse målinger, på tur, gjorde det muligt for forskerne at bestemme mere præcise størrelser for de planeter, der kredser om disse stjerner.

"Før, at sortere planeterne efter størrelse var som at prøve at sortere sandkorn med dit blotte øje, " siger Fulton. "At få spektrene fra Keck er som at gå ud og gribe et forstørrelsesglas. Vi kunne se detaljer, som vi ikke kunne før."

Med Kecks nye data, forskerne var i stand til at måle størrelserne på de 2, 000 planeter med 4 gange mere præcision end hvad der var blevet opnået tidligere. Da de undersøgte fordelingen af ​​planetstørrelser, de fandt en overraskelse:en slående kløft mellem grupperne af klippejorder og mini-Neptuner. Selvom nogle få planeter falder i hullet, flertallet gør ikke.

Årsagen til kløften er ikke klar, men forskerne er kommet med to mulige forklaringer. Den første er baseret på ideen om, at naturen kan lide at lave en masse planeter, der er nogenlunde på størrelse med Jorden. Nogle af de planeter, af årsager, der ikke er fuldt ud forstået, ende med at erhverve nok gas til at "springe kløften" og blive gasformige mini-Neptuner.

"En lille smule brint og heliumgas rækker meget langt. Så, hvis en planet kun får 1 procent brint og helium i masse, det er nok til at springe hul, " siger Howard. "Disse planeter er som sten med store balloner af gas omkring dem. Brinten og helium, der er i ballonen, bidrager ikke rigtig til massen af ​​systemet som helhed, men det bidrager til volumen på en enorm måde, gør planeterne meget større i størrelse."

Den anden mulige årsag til, at planeter ikke lander i mellemrummet, har at gøre med, at planeter mister gas. Hvis en planet tilfældigvis får bare en lille smule gas - den rigtige mængde til at placere den i mellemrummet - kan den gas blive brændt af, når den udsættes for stråling fra værtsstjernen.

"En planet skulle være heldig for at lande i hullet, og hvis det så gjorde, det ville nok ikke blive der, " siger Howard. "Det er usandsynligt for en planet at have den helt rigtige mængde gas til at lande i hullet. Og de planeter, der har nok gas, kan få deres tynde atmosfærer blæst af. Begge scenarier udskiller sandsynligvis hullet i planetstørrelser, som vi observerer."

I fremtiden, forskerne planlægger at studere indholdet af tunge grundstoffer i disse planeter for at lære mere om deres sammensætning. "Vi lever i en guldalder af planetarisk astronomi, fordi vi finder tusindvis af planeter omkring andre stjerner, " siger Petigura. "Vi arbejder i øjeblikket på at forstå, hvad disse mini-Neptunes er lavet af, som skulle hjælpe med at forklare, hvorfor disse planeter dannes så let omkring andre stjerner, og hvorfor de ikke dannes omkring solen."

Studiet, med titlen "The California-Kepler Survey. III. Et hul i radius for distribution af små planeter, " blev finansieret af NASA og National Science Foundation.