Exoplanets: Worlds Beyond Our Solar System

Den yngste exoplanet, der endnu er fundet, er mindre end 1 million år gammel.

Den yngste exoplanet, der endnu er fundet, er mindre end 1 million år gammel og kredser om Coku Tau 4, en stjerne 420 lysår væk. Astronomer udled planetens tilstedeværelse fra et enormt hul i den støvede disk, der omgiver stjernen. Hullet er 10 gange størrelsen på Jordens bane omkring Solen og sandsynligvis forårsaget af at planeten rydder et rum i støvet, mens det kredser om stjernen. (Billedkredit: NASA)





Exoplaneter er planeter ud over vores eget solsystem. Tusinder er blevet opdaget i de sidste to årtier, mest med NASAs Kepler -rumteleskop.

Disse verdener findes i et stort udvalg af størrelser og baner. Nogle er gigantiske planeter, der krammer tæt på deres forældrestjerner; andre er iskolde, nogle stenede. NASA og andre agenturer leder efter en særlig slags planet: en, der har samme størrelse som Jorden, der kredser om en sollignende stjerne i den beboelige zone.

Den beboelige zone er afstanden fra en stjerne, hvor en planets temperatur tillader flydende vandhav, kritiske for livet på Jorden. Den tidligste definition af zonen var baseret på simpel termisk ligevægt, men aktuelle beregninger af den beboelige zone omfatter mange andre faktorer, herunder drivhuseffekten af ​​en planets atmosfære. Dette gør grænserne for en beboelig zone 'uklare'.



Astronomer meddelte i august 2016, at de måske har fundet sådan en planeten i kredsløb omkring Proxima Centauri . Den nyopdagede verden, kendt som Proxima b, er omkring 1,3 gange mere massiv end Jorden, hvilket tyder på, at exoplaneten er en stenet verden, sagde forskere. Planeten er også i stjernens beboelig zone , kun 4,7 millioner miles (7,5 millioner kilometer) fra værtsstjernen. Den gennemfører en bane hver 11,2 jorddage. Som følge heraf er det sandsynligt, at exoplaneten er låst tideligt, hvilket betyder, at den altid viser det samme ansigt til sin værtsstjerne, ligesom månen kun viser et ansigt (den nærmeste side) til Jorden.

De fleste exoplaneter er blevet opdaget af Kepler -rumteleskopet, et observatorium, der begyndte at arbejde i 2009 og forventes at afslutte sin mission i 2018, når det løber tør for brændstof. Fra midten af ​​marts 2018 , Kepler har opdaget 2.342 bekræftede exoplaneter og afsløret eksistensen af ​​måske 2.245 andre. Det samlede antal planeter opdaget af alle observatorier er 3.706.

Tidlige opdagelser

Selvom eksoplaneter først blev bekræftet i 1990'erne, var astronomer i årevis overbeviste om, at de var derude. Det var ikke bare ønsketænkning, men på grund af hvor langsomt vores egen sol og andre stjerner kan lide at den snurrer, fortalte University of British Columbia astrofysiker Jaymie Matthews til guesswhozoo.com. Matthews, missionsforsker for lejlighedsvis eksoplanet -teleskopobservatør MEST (mikrovariabilitet og stjerners oscillationer), var involveret i nogle af de tidlige eksoplanetfund.



Astronomer havde en oprindelseshistorie for vores solsystem. Kort sagt, en roterende sky af gas og støv (kaldet protosolar -stjernetågen) kollapsede under sin egen tyngdekraft og dannede solen og planeterne. Da skyen kollapsede, betød bevarelsen af ​​vinkelmomentet, at den snart sol skulle have spundet hurtigere og hurtigere. Men mens solen indeholder 99,8 procent af solsystemets masse, har planeterne 96 procent af vinkelmomentet. Astronomer spurgte sig selv, hvorfor solen roterer så langsomt.

Den unge sol ville have haft et meget stærkt magnetfelt, hvis kraftlinjer nåede ud i skiven af ​​hvirvlende gas, hvorfra planeterne ville danne sig. Disse feltlinjer forbundet med de ladede partikler i gassen og virkede som ankre, bremsede den dannende sols spin og spandt den gas, der til sidst ville blive til planeterne. De fleste stjerner som solen roterer langsomt, så astronomer udledte, at den samme 'magnetiske bremsning' fandt sted for dem, hvilket betyder, at planetdannelse må have fundet sted for dem. Implikationen: Planeter skal være almindelige omkring sollignende stjerner.

Af denne grund og andre begrænsede astronomer først deres søgning efter eksoplaneter til stjerner, der ligner solen, men de to første opdagelser var omkring en pulsar (hurtigt spinning lig af en stjerne, der døde som en supernova) kaldet PSR 1257+12, i 1992. Den første bekræftede opdagelse af en verden, der kredser om en sollignende stjerne, i 1995, var 51 Pegasi b-en planet i Jupiter-masse 20 gange tættere på dens sol, end vi er på vores. Det var en overraskelse. Men en anden underlighed dukkede op syv år tidligere, der antydede den rigdom af eksoplaneter, der skulle komme.



Et canadisk hold opdagede en planet i størrelse Jupiter omkring Gamma Cephei i 1988, men fordi dens bane var meget mindre end Jupiters, hævdede forskerne ikke en definitiv planetdetektering. 'Vi havde ikke forventet sådanne planeter. Det var anderledes nok fra en planet i vores eget solsystem, at de var forsigtige, 'sagde Matthews.

De fleste af de første exoplanetfund var enorme gasgiganter af Jupiter-størrelse (eller større), der kredsede tæt på deres forældrestjerner. Det er fordi astronomer var afhængige af radialhastighedsteknikken, som måler, hvor meget en stjerne 'vakler', når en planet eller planeter kredser om den. Disse store planeter, der lukker ind, producerer en tilsvarende stor effekt på deres forælderstjerne, hvilket forårsager en lettere at opdage wobble.

Før æraen med eksoplanetfund kunne instrumenter kun måle stjernebevægelser ned til en kilometer i sekundet, for upræcise til at opdage en vakling på grund af en planet. Nu kan nogle instrumenter måle hastigheder så lave som en centimeter i sekundet, ifølge Matthews. 'Dels på grund af bedre instrumentering, men også fordi astronomer nu er mere erfarne med at drille subtile signaler ud af dataene.'

Kepler, TESS og andre observatorier

Kepler blev lanceret i 2009 på en førsteklasses mission for at observere en region i Cygnus -stjernebilledet. Kepler udførte denne mission i fire år - det dobbelte af sin oprindelige missionstid - indtil de fleste af sine reaktionshjul (pegeredskaber) mislykkedes. NASA satte derefter Kepler på en ny mission kaldet K2, hvor Kepler bruger solvindens tryk til at opretholde position i rummet. Observatoriet skifter periodisk sit synsfelt for at undgå solens blænding. Keplers planetopdagelsestempo faldt efter at have skiftet til K2, men det findes stadig hundredvis af exoplaneter ved hjælp af den nye metode. Den seneste datafrigivelse i februar 2018 indeholdt 95 nye planeter.

Alien Worlds Infographic 20

Alien Worlds Infographic 20'x60 'plakat. Køb her (Billedkredit: guesswhozoo.com Store)

Kepler har afsløret et overflødighedshorn af forskellige planeter. Udover gasgiganter og terrestriske planeter har det været med til at definere en helt ny klasse kendt som ' super-jordarter ': planeter, der er på størrelse med Jorden og Neptun. Nogle af disse er i deres stjerners beboelige zoner, men astrobiologer går tilbage til tegnebrættet for at overveje, hvordan livet kan udvikle sig på sådanne verdener. Keplers observationer viste, at superjorderne er rigelige i vores univers. (Mærkeligt nok ser det ikke ud til, at vores solsystem indeholder en planet af den størrelse, selvom nogle mener, at en stor planet med tilnavnet 'Planet Nine' kan lure i solsystemets ydre områder.)

Keplers primære metode til at søge efter planeter er 'transit' -metoden. Kepler overvåger en stjernes lys. Hvis lyset dæmpes med regelmæssige og forudsigelige intervaller, tyder det på, at en planet passerer over stjernens overflade. I 2014 afslørede Kepler -astronomer (herunder Matthews 'tidligere studerende Jason Rowe) en ny' verification by multiplicity 'metode, der øgede den hastighed, hvormed astronomer promoverer kandidatplaneter til bekræftede planeter. Teknikken er baseret på kredsløbsstabilitet - mange transitter af en stjerne, der forekommer med korte perioder, kan kun skyldes planeter i små kredsløb, da formørkelse af formørkelsesstjerner, der kan efterligne, ville gravitationsmæssigt skubbe hinanden ud af systemet på få millioner år.

Da Kepler afslutter sin mission, forventes et nyt observatorium kaldet Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) at blive lanceret i foråret 2018. TESS kredser om jorden hver 13,7 dage og vil udføre en himmelundersøgelse over to år. Det vil undersøge den sydlige halvkugle i sit første år, og den nordlige halvkugle (som inkluderer det originale Kepler -felt) i sit andet. Observatoriet forventes at afsløre mange flere eksoplaneter, herunder mindst 50, der er omkring Jordens størrelse.

Andre fremtrædende planetjagtobservatorier (fortid og nutid) omfatter:

  • HARPS-spektografen på European Southern Observatory's La Silla 3,6 meter teleskop i Chile, hvis første lys var i 2003. Instrumentet er designet til at se på de vingler, som en planet fremkalder i en stjernes rotation. HARPS har selv fundet langt over 100 eksoplaneter og bruges regelmæssigt til at bekræfte observationer fra Kepler og andre observatorier.
  • Den canadiske mikrovariabilitet og Oscillations of STars (MOST) teleskop, der startede observationer i 2003. MOST er designet til at observere en stjernes astroseismologi eller stjerneskælv. Men den har også deltaget i eksoplanetfund, såsom at finde exoplaneten 55 Cancri e.
  • Det franske rumagenturs CoRoT (COnvection ROtation and planetary Transits), der opererede mellem 2006 og 2012. Det fandt et par dusin bekræftede planeter, herunder COROT-7b-den første exoplanet, der overvejende havde en sten- eller metalsammensætning.
  • NASA/European Space Agency Hubble og NASA Spitzer rumteleskoper, som periodisk observerer planeter i henholdsvis synlige eller infrarøde bølgelængder. (Flere oplysninger om en planets atmosfære er tilgængelige i infrarød.)
  • Den europæiske karakteriserende ExOPlanets Satellite (CHEOPS), som forventes at være klar til lancering i 2018. Missionen er designet til at beregne planeters diametre præcist, især de planeter, der falder mellem superjord og Neptunmasser.
  • NASA James Webb Space Telescope, som forventes at blive lanceret i 2020. Det er specialiseret til at observere i infrarøde bølgelængder. Det kraftfulde observatorium forventes at afsløre mere om beboelighed i visse eksoplanets atmosfærer.
  • European Space Agency's PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) teleskop, som forventes at blive lanceret i 2024. Det er designet til at lære, hvordan planeter dannes, og hvilke betingelser, der eventuelt kan være gunstige for livet.
  • ESA ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) mission, som vil blive lanceret i midten af ​​2028. Det forventes at observere 1.000 exoplaneter og også foretage en undersøgelse af de kemiske sammensætninger af deres atmosfærer.

Et diagram, der viser de relative størrelser af de nye fremmede planeter opdaget af Kepler, sammenlignet med Jorden og Jupiter.

Et diagram, der viser de relative størrelser af de nye fremmede planeter opdaget af Kepler, sammenlignet med Jorden og Jupiter.(Billedkredit: NASA/Tim Pyle)

Bemærkelsesværdige exoplaneter

Med tusinder at vælge imellem, er det svært at indsnævre et par stykker. Små solide planeter i den beboelige zone er automatisk standouts, men Matthews udpegede fem andre exoplaneter, der har udvidet vores perspektiv på, hvordan planeter dannes og udvikler sig:

  • 51 Pegasi b: Som tidligere nævnt var dette den første planet, der blev bekræftet omkring en sollignende stjerne. Halvdelen af ​​Jupitermassen kredser den rundt om solen på nogenlunde afstanden mellem Merkur og vores sol. 51 Pegasi b er så tæt på sin forælderstjerne, at den sandsynligvis er tideligt låst, hvilket betyder, at den ene side altid vender ud mod stjernen.
  • HD 209458 b: Dette var den første planet, der blev fundet (i 1999) for at transportere sin stjerne (selvom den blev opdaget ved hjælp af Doppler -wobble -teknikken), og i de efterfølgende år hævede flere opdagelser sig. Det var den første planet uden for solsystemet, som vi kunne bestemme aspekter af dens atmosfære, herunder temperaturprofil og mangel på skyer. (Matthews deltog i nogle af observationerne ved hjælp af MEST.)
  • 55 Kræft fra: Denne superjord kredser om en stjerne, der er lys nok til at se med øjet, hvilket betyder at astronomer kan studere systemet mere detaljeret end næsten alle andre. Dens 'år' er kun 17 timer og 41 minutter langt (anerkendt, da MEST stirrede på systemet i to uger i 2011). Teoretikere spekulerer i, at planeten kan være kulstofrig, med en diamantkerne.
  • HD 80606 b: På tidspunktet for opdagelsen i 2001 havde den rekorden som den mest excentriske eksoplanet, der nogensinde er opdaget. Det er muligt, at dens ulige bane (som ligner Halleys komet omkring solen) kan skyldes indflydelse fra en anden stjerne. Dens ekstreme bane ville gøre planetens miljø ekstremt variabelt.
  • WASP-33b: Denne planet blev opdaget i 2011 og har et slags 'solcreme' lag - en stratosfære - der absorberer noget af det synlige og ultraviolette lys fra sin forældre stjerne. Denne planet kredser ikke kun om sin stjerne 'bagud', men den udløser også vibrationer i stjernen set af den MEST satellit.