Hvor mange jordlignende planeter er der omkring sollignende stjerner?

En ny undersøgelse giver det mest nøjagtige estimat af hyppigheden af, at planeter, der ligner Jorden i størrelse og i afstand fra deres værtsstjerne, forekommer omkring stjerner, der ligner vores sol. At kende den hastighed, som disse potentielt beboelige planeter forekommer, vil være vigtig for at designe fremtidige astronomiske missioner for at karakterisere nærliggende klippeplaneter omkring sollignende stjerner, der kunne understøtte liv. Et papir, der beskriver modellen, udkommer den 14. august, 2019 i The Astronomisk Tidsskrift .

Tusindvis af planeter er blevet opdaget af NASAs Kepler-rumteleskop. Kepler, som blev lanceret i 2009 og blev pensioneret af NASA i 2018, da den opbrugte sin brændstofforsyning, observerede hundredtusindvis af stjerner og identificerede planeter uden for vores solsystem - exoplaneter - ved at dokumentere transitbegivenheder. Transits-begivenheder opstår, når en planets kredsløb passerer mellem dens stjerne og teleskopet, blokerer noget af stjernens lys, så det ser ud til at dæmpe. Ved at måle mængden af ​​dæmpning og varigheden mellem transitter og ved hjælp af information om stjernens egenskaber karakteriserer astronomer planetens størrelse og afstanden mellem planeten og dens værtsstjerne.

"Kepler opdagede planeter med en bred vifte af størrelser, kompositioner og baner, " sagde Eric B. Ford, professor i astronomi og astrofysik ved Penn State og en af ​​lederne af forskerholdet. "Vi ønsker at bruge disse opdagelser til at forbedre vores forståelse af planetdannelse og til at planlægge fremtidige missioner for at søge efter planeter, der kan være beboelige. Men, blot at tælle exoplaneter af en given størrelse eller kredsløbsafstand er vildledende, da det er meget sværere at finde små planeter langt fra deres stjerne end at finde store planeter tæt på deres stjerne."

For at overvinde den forhindring, forskerne designet en ny metode til at udlede forekomsten af ​​planeter på tværs af en bred vifte af størrelser og kredsløbsafstande. Den nye model simulerer 'universer' af stjerner og planeter og 'observerer' derefter disse simulerede universer for at bestemme, hvor mange af planeterne, der ville være blevet opdaget af Kepler i hvert 'univers.'

"Vi brugte det endelige katalog over planeter identificeret af Kepler og forbedrede stjerneegenskaber fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-rumfartøj til at bygge vores simuleringer, " sagde Danley Hsu, en kandidatstuderende ved Penn State og den første forfatter af papiret. "Ved at sammenligne resultaterne med planeterne katalogiseret af Kepler, vi karakteriserede antallet af planeter pr. stjerne, og hvordan det afhænger af planetens størrelse og kredsløbsafstand. Vores nye tilgang tillod holdet at redegøre for flere effekter, som ikke er inkluderet i tidligere undersøgelser."

Resultaterne af denne undersøgelse er særligt relevante for planlægning af fremtidige rummissioner for at karakterisere potentielt jordlignende planeter. Mens Kepler-missionen opdagede tusindvis af små planeter, de fleste er så langt væk, at det er svært for astronomer at lære detaljer om deres sammensætning og atmosfærer.

"Forskere er særligt interesserede i at søge efter biomarkører - molekyler, der indikerer liv - i atmosfæren på planeter på nogenlunde jordstørrelse, der kredser i den 'beboelige zone' af sollignende stjerner, " sagde Ford. "Den beboelige zone er en række kredsløbsafstande, hvor planeterne kunne understøtte flydende vand på deres overflader. At søge efter beviser på liv på planeter i jordstørrelse i den beboelige zone af sollignende stjerner vil kræve en stor ny rummission."

Hvor stor den mission skal være, vil afhænge af overfloden af ​​planeter i jordstørrelse. NASA og National Academies of Science udforsker i øjeblikket missionskoncepter, der adskiller sig væsentligt i størrelse og deres evner. Hvis planeter på størrelse med jorden er sjældne, så er de nærmeste jordlignende planeter længere væk og en stor, ambitiøs mission vil være påkrævet for at søge efter beviser for liv på potentielt jordlignende planeter. På den anden side, hvis planeter på størrelse med jorden er almindelige, så vil der være exoplaneter på størrelse med jorden, der kredser om stjerner, der er tæt på solen, og et relativt lille observatorium kan muligvis studere deres atmosfærer.

"Mens de fleste af de stjerner, som Kepler observerede, typisk er tusinder af lysår væk fra Solen, Kepler observerede en stor nok prøve af stjerner til, at vi kan udføre en streng statistisk analyse for at estimere antallet af planeter på størrelse med Jorden i den beboelige zone af nærliggende sollignende stjerner." sagde Hsu.

Baseret på deres simuleringer, forskerne vurderer, at planeter meget tæt på Jorden i størrelse, fra tre fjerdedele til halvanden gange jordens størrelse, med omløbsperioder fra 237 til 500 dage, forekomme omkring hver fjerde stjerner. Vigtigt, deres model kvantificerer usikkerheden i det skøn. De anbefaler, at fremtidige planet-findingsmissioner planlægger en sand rate, der spænder fra så lav omkring en planet for hver 33 stjerner til så høj som næsten en planet for hver to stjerner.

"At vide, hvor ofte vi skal forvente at finde planeter af en given størrelse og omløbsperiode, er yderst nyttigt for at optimere undersøgelser for exoplaneter og designet af kommende rummissioner for at maksimere deres chance for succes, " sagde Ford. "Penn State er førende i at bringe state-of-the-art statistiske og beregningsmetoder til analyse af astronomiske observationer for at løse denne slags spørgsmål. Vores Institut for CyberScience (ICS) og Center for Astrostatistik (CASt) leverer infrastruktur og support, der gør denne type projekter mulige."

Center for Exoplanets and Habitable Worlds i Penn State omfatter fakulteter og studerende, der er involveret i hele spektret af ekstrasolar planetforskning. Et team fra Penn State byggede Habitable Zone Planet Finder, et instrument til at søge efter lavmasseplaneter omkring kølige stjerner, som for nylig begyndte videnskabelige operationer ved Hobby-Eberly Telescope, hvoraf Penn State er stiftende partner. En anden Penn State-bygget spektrograf er ved at blive testet, før den begynder en supplerende undersøgelse for at opdage og måle masserne af lavmasseplaneter omkring sollignende stjerner. Denne undersøgelse giver forudsigelser for, hvad sådanne planetundersøgelser vil finde og vil hjælpe med at give kontekst til fortolkning af deres resultater.

Ud over Ford og Hsu, forskerholdet omfatter Darin Ragozzine og Keir Ashby ved Brigham Young University. Forskningen blev støttet af NASA; U.S. National Science Foundation (NSF); og Eberly College of Science, Institut for Astronomi og Astrofysik, Center for Exoplaneter og beboelige verdener, og Center for Astrostatistik i Penn State. Avancerede computerressourcer og tjenester blev leveret af Penn State Institute for CyberScience, herunder den NSF-finansierede CyberLAMP-klynge.