Undersøgelsen af ekstrasolære planeter er virkelig eksploderet i de senere år. I øjeblikket har astronomer været i stand til at bekræfte eksistensen af 4.104 planeter ud over vores solsystem, med yderligere 4900, der venter på bekræftelse. Undersøgelsen af disse mange planeter har afsløret ting om række mulige planeter i vores univers og lært os, at der er mange, som der ikke er nogen analoger i vores solsystem.
For eksempel takket være nye data indsamlet af Hubble-rumteleskop, har astronomer lært mere om en ny klasse af exoplanet kendt som ”super-puff” -planeter. Planeter i denne klasse er i det væsentlige unge gasgiganter, der kan sammenlignes i størrelse med Jupiter, men har masser, der kun er et par gange større end Jorden. Dette resulterer i, at deres atmosfære har tætheden af bomuldsgodteri, og dermed det dejlige kaldenavn!
De eneste kendte eksempler på denne planet findes i Kepler 51-systemet, en ung sollignende stjerne beliggende ca. 2.615 lysår væk i Cygnus-stjernebilledet. Inden for dette system er tre exoplaneter bekræftet (Kepler-51 b, c og d), der først blev påvist af Kepler rumteleskop i 2012. Imidlertid var det først i 2014, at tæthederne af disse planeter blev bekræftet, og det kom ganske overraskende.
Selvom disse gasgiganter har atmosfærer, der er sammensat af brint og helium og har omtrent samme størrelse som Jupiter, er de også omkring hundrede gange lettere med hensyn til masse. Hvordan og hvorfor deres atmosfære ville ballonere, som de gør, forbliver et mysterium, men det faktum er, at deres atmosfære gør super-puff-planeter til en fremtrædende kandidat til atmosfærisk analyse.
Det er netop det, et internationalt team af astronomer - ledet af Jessica Libby-Roberts fra Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) ved University of Colorado, Boulder - søgte at gøre. Brug af data fra Hubble, Libby-Roberts og hendes team analyserede spektre opnået fra atmosfærerne i Kepler-51 b og d for at se, hvilke komponenter (inklusive vand) der var.
Da disse planeter passerede foran deres stjerne, blev lys absorberet af deres atmosfærer undersøgt i den infrarøde bølgelængde. Til teamets overraskelse fandt de, at spektrene for begge planeter ikke havde nogen kendte kemiske signaturer. Dette tilskrives tilstedeværelsen af skyer af saltkrystaller eller fotokemiske uklarheder i deres atmosfære.
Som sådan var teamet afhængig af computersimuleringer og andre værktøjer til at teoretisere, at Kepler-51-planeterne hovedsagelig er brint og helium i masse, som er dækket af en tyk dis, der består af metan. Dette ligner det, der foregår i Titans atmosfære (Saturns største måne), hvor den overvejende nitrogenatmosfære indeholder skyer af metangas, der skjuver overfladen.
”Dette var helt uventet,” sagde Libby-Roberts. ”Vi havde planlagt at observere store vandabsorptionsfunktioner, men de var bare ikke der. Vi blev overskyet! ” Imidlertid gav disse skyer teamet værdifuld indsigt i, hvordan Kepler-51 b og d sammenlignes med andre lavmasse, gasrige exoplaneter observeret af astronomer. Som Libby-Roberts forklarede i en pressemeddelelse fra CU Boulder:
”Vi vidste, at de var lav tæthed. Men når du ser på en Jupiter-størrelse kugle med bomuldsgodteri - det er virkelig lav tæthed ... Det sendte os bestemt kryptering for at komme med det, der kunne ske her. Vi forventede at finde vand, men vi kunne ikke observere underskrifterne på noget molekyle. ”
Holdet var også i stand til bedre at begrænse størrelsen og massen af disse planeter ved at måle deres tidseffekter. I alle systemer forekommer små ændringer i en planetens orbitalperiode på grund af deres gravitationstryk, som kan bruges til at udlede en planetes masse. Holdets resultater stemte overens med tidligere estimater for Kepler-51 b, mens estimaterne for Kepler-51 d indikerede, at det er lidt mindre massivt (alias puffier) end tidligere antaget.
Holdet sammenlignede også spektraerne for de to superpuffer med dem fra andre planeter og opnåede resultater, der indikerede, at dannelse af sky / dis er forbundet med temperaturen på en planet. Dette understøtter hypotesen om, at jo køligere en planet er, jo skyere, den vil være, hvilket astronomer har funderet over takket være den nylige række eksoplanetopdagelser.
Sidst, men ikke mindst, observerede holdet, at både Kepler-51 b og d ser ud til at miste gas hurtigt. Faktisk estimerer teamet, at den tidligere planet (som er tættest på sin moderstjerne) dumper titusindvis af milliarder tons materiale i rummet hvert sekund. Hvis denne tendens fortsætter, vil planeterne skrumpe markant over de næste par milliarder år og kunne blive mini-Neptunes.
I denne henseende antyder dette, at eksoplaneterne slet ikke er så usædvanlige, hvilket giver, at mini-Neptunerne synes at være meget almindelige. Det antyder også, at de lave tætheder af superpuff-planeterne tilskrives systemets alder. Mens solsystemet er omtrent 4,6 milliarder år gammelt, har Kepler-51 eksisteret i kun 500 millioner år.
De planetariske modeller, der er brugt af teamet, indikerer, at planeterne sandsynligvis dannede sig ud over Kepler-51s Frost Line - grænsen, ud over hvilken flygtige elementer vil fryse - og derefter vandrede indad. I stedet for at være oddballplaneter, er Kepler-51b og d muligvis de første eksempler, som astronomer har set på en af de mest almindelige typer planeter i vores univers i de tidlige stadier af udviklingen.
Som Zach Berta-Thompson (en assistent APS-professor og en medforfatter til den nye forskning) forklarede, gør dette Kepler-51 til et "unikt laboratorium" til testning af teorier om den tidlige planetudvikling:
”Dette er et ekstremt eksempel på, hvad der er så cool ved eksoplaneter generelt. De giver os en mulighed for at studere verdener, der er meget anderledes end vores, men de placerer også planeterne i vores eget solsystem i en større sammenhæng. ”
I fremtiden er installationen af næste generations instrumenter som James Webb-rumteleskop (JWST) vil hjælpe astronomer med at undersøge atmosfæren på Kepler-51-planeterne og andre superpuffer. Takket være JWST's følsomhed over for længere infrarøde bølgelængder, kan vi muligvis se gennem deres tætte skyer endnu og bestemme, hvad disse ”bomuldssand” -planeter faktisk består af.
Det er også en anden fjer i hætten på den ærede Hubble, der har været i kontinuerlig drift i cirka tredive år nu (siden maj 1990) og fortsætter med at kaste lys over kosmiske mysterier! Det er kun passende, at det stadig gør fund, der meget snart vil blive genstand for opfølgningsundersøgelser af James Webb, dets åndelige efterfølger.
Undersøgelsen, der beskriver holdets forskning, er for nylig vist online og vises i The Astrophysical Journal.
