Neptusliknande exoplaneter med synliga moln eller inte och dess atmosfär

 

Jonathan Brande, doktorand vid ExoLab vid University of Kansas har nyligen publicerat nya forskningsresultat i den vetenskapliga tidskriften The Astrophysical Journal Letters som visar atmosfäriska detaljer av 15 exoplaneter av Neptunusliknande slag. Även om ingen av planeterna kan anses som livsvänliga kan en bättre förståelse av dem hjälpa oss att förstå varför vi inte har en Neptunusliknande planet ( i storlek som Neptunus men stenplanet lik jorden) nära vår sol likt många andra solsystem ses ha.

– Under de senaste åren vid University of Kansas har mitt fokus varit att studera exoplaneters atmosfärer genom en teknik som kallas transmissionsspektroskopi, beskriver Brande och beskriver det som att  "När en planet passerar, vilket innebär att den rör sig mellan vårt siktfält och stjärnan den kretsar kring passerar ljus från stjärnan genom planetens atmosfär och absorberas av de gaser som finns där. Genom att undersöka detta ljus från stjärnan och låta ljuset passera genom en spektrograf vilket kan ses som att låta ljus passera genom en prisma – observeras en regnbåge och de skilda färgerna i denna avslöjar skilda grundämnen. Utifrån ljusstyrka eller ljussvaghet i spektrumet avslöja gaserna och dess mängd som absorberar ljus i exoplanetens atmosfär.

Med denna metodik publicerade Brande för flera år sedan en artikel om den "varma Neptunus" exoplaneten TOI-674 b, där han presenterade observationer som indikerade närvaro av vattenånga i TOI-674 b atmosfär. Dessa observationer var en del av ett bredare program som leddes av Brandes rådgivare Ian Crossfield, docent i fysik och astronomi vid KU med syftet att observera atmosfärer hos exoplaneter av Neptunusstorlek. Den nyligen publicerade artikeln sammanfattar observationer från det programmet och innehåller även data från ytterligare observationer och diskuterar varför vissa planeter verkar molniga medan andra inte ses ha moln. Brande och hans medförfattare noterade särskilt om moln eller dis bildas högt upp i atmosfären. När sådana atmosfäriska aerosoler är närvarande, beskriver Brande att dis kan blockera ljuset som filtreras genom atmosfären.

"Om en planet har ett moln precis ovanför ytan med hundratals kilometer klar luft ovanför sig, kan stjärnljus lätt passera genom den klara luften och absorberas endast av de specifika gaserna i den delen av atmosfären", beskriver Brande. – Men om molnet är placerat väldigt högt gör det att molnen  då i allmänhet blir ogenomskinliga över hela det elektromagnetiska spektrumet. Enligt Brande är det när dessa aerosoler finns högt upp i atmosfären som det inte finns en väg för ljus att filtreras igenom.

"Hubbleteleskopet har lättast att upptäcka vattenånga inte övriga gaser", beskriver han. – Om vi observerar vattenånga i en planets atmosfär är det en bra indikation på att det inte finns några moln som är tillräckligt höga för att blockeras i spektrat. Omvänt, om vattenånga inte observeras och endast ett platt spektrum ses, trots att man vet att planeten borde ha en utsträckt atmosfär tyder det på den troliga närvaron av moln eller dis på högre höjder.

Det innebär att beroende på vilken höjd moln finns är de synliga och visar på en atmosfär. Det visar även att där moln ses kan de likväl finnas  en intressant atmosfär under dessa.

Bild https://ku.edu/  En konstnärs koncept av exoplaneten GJ 9827d, den minsta exoplaneten där vattenånga har upptäckts i atmosfären. Foto: NASA/ESA/Leah Hustak, Ralf Crawford, Space Telescope Science Institute.

Röda dvärgstjärnor har en brist på gasplaneter i Jupiters storlek.

 

Den vanligaste stjärnan i universum är den röda dvärgstjärnan. Planetsystemen där består ofta av Neptunusstora gasplaneter som ligger nära sin sol och stora stenplaneter av större slag än Jorden. I vårt solsystem däremot finns inga större stenplaneter än Jorden och inga stora Neptunusliknande planeter i närheten av solen.

Men frågan är betydelsen av bristen på Jupiterstora gasplaneter kontra liv på stenplaneter i röda stjärnors planetsystem.

Vid Cambridge universitet i Massachusetts har astronomer visat att de vanligaste slagen av stjärnor i universum är röda dvärgstjärnor och där finns mycket sällan Jupiter-liknande planeter. Denna frånvaro i Jupiterstorlek (gasplaneter) kan få stora konsekvenser för utvecklingen av jordliknande planeter runt röda dvärgar och därmed jordlika planeter där liv kan utvecklas. Möjligen ska vi inte i första hand söka efter liv i dessa solsystem.

Jupiter har spelat en dominerande roll i utvecklingen av vårt solsystem. Forskare misstänker att Jupiter hade betydelse för att jorden skulle bli beboelig. Planeten påverkade vår världs bildande, storlek och sammansättning. Således tyder bristen på stora gasjättar i röda dvärgstjärnors planetsystem på att steniga världar där inte har utvecklats till jordlika livsvänliga platser.

Vi har visat att de minst massiva stjärnorna (röda dvärgar) inte har Jupiterliknande planeter. Planeter med Jupiters massa som får liknande mängder stjärnljus som Jupiter får från vår sol, beskriver Emily Pass, forskare vid Centrum för astrofysik. Harvard &; Smithsonian (CfA) och huvudförfattare till en  studie som ska (eller nu har) publiceras i The Astronomical Journal.

Resultaten har ytterligare betydelse eftersom många röda dvärgstjärnor finns bland våra närmaste kosmiska grannar. Den närheten, tillsammans med det faktum att svala, svaglysande röda dvärgar inte överväldigar sina planeter i bländning gör att exoplaneter där är enklare att analysera atmosfären på - ett viktig forskningsprioritetsområde nu och under de närmaste decennierna.

De närliggande röda dvärgstjärnorna som man såg på i studien och deras planeter är idealiska planeter för detaljerad undersökning med James Webb Space Telescope enligt studiens medförfattare David Charbonneau, professor vid Harvard University och medlem av Center for Astrophysics vid Harvard och Smithsonian.

För att mäta frekvensen av Jupiter-planeter undersökte Pass med sina kollegor  200 små röda dvärgstjärnor var och en endast bestående av 10% till 30% av solens massa. Sådana små röda dvärgar är vanligast därute. De finns i mycket större antal än stjärnor  som vår sol i Vintergatan. Observationerna samlades in mellan 2016 och 2022 främst från Fred Lawrence Whipple Observatory, beläget i Arizona, samt Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile.

Forskarna förlitade sig på radialhastighetstekniken för att finna alla stora exoplaneter i deras stjärndataset. När planeter kretsar kring sina små dvärgstjärnor får kropparnas växelverkande gravitation stjärnorna att "vackla" en effekt som kan urskiljas i detaljerade avläsningar av stjärnljus.

Ingen Jupiterlik planet upptäcktes i röda dvärgstjärnors planetsystem.

Resultaten står i skarp kontrast till liknande undersökningar av medelstora stjärnor som vår sol, som vanligtvis har massiva planeter av Jupiterstorlek. De enorma massorna i dessa världar - Jupiter ensam innehåller mer massa än alla andra planeter tillsammans i vårt solsystem - översätts till enorm gravitation, och enorm gravitation översätts till långtgående inflytande på andra närliggande kroppar.

Bland de viktigaste händelserna är Jupiters migration under de första hundra miljoner åren av solsystemets existens. Efter bildandet i solsystemets yttersta räckvidd antas teoretiskt Jupiter, tillsammans med de andra yttre planeterna, ha rört sig inåt mot solen. I processen drog Jupiters gravitation massor av isrika kometkroppar på kollisionskurs med de fyra steniga världarna i det inre solsystemet.

När ett stort antal av dessa isiga kroppar påverkade vår unga planet levererade de stora mängder vatten, potentiellt tillsammans med organiska (kolinnehållande) molekyler. Vattnet samlades på vår världs yta och skapade efterhand oceanerna i vilka organiska molekyler tros ha blandats i miljontals år. Så småningom utvecklade molekylerna komplexitet och började självreplikeras efter att ha övergått till det vi kallar liv.

Utan Jupiter hade dessa förhållanden kanske inte har kommit till och livet kanske aldrig kommit igång.

Även om de nya resultaten tyder på att omständigheterna som ledde till att minst en värld i vårt solsystem blev beboelig sannolikt inte kommer att matchas i solsystem med små röda stjärnor, ska vi inte säga att liv är omöjligt i dessa solsystem.

Frånvaron av Jupiter-liknande planeter innebär att mer råmaterial borde finnas tillgängligt för att bygga upp mindre, steniga kroppar, eftersom detta material inte införlivades i Jupiter-liknande världar. Faktum är att andra studier har visat att röda dvärgars fasta stenplaneter tenderar att vara större i storlek än de runt stjärnor som vår sol.

På liknande sätt verkar steniga planeter bildas i större antal runt röda dvärgar än i solsystem som vår sol. Exempel har TRAPPIST-1-planetsystemet sju steniga världar i banor mycket närmare den röda dvärgstjärnan än Merkurius är vid vår sol. 

 

"Vårt arbete innebär att steniga världar med massor som liknar jorden och kretsar kring röda dvärgar utvecklades i en helt annan miljö än Jorden, säger Pass.

Kanske det finns ett samband med Jupiterstora planeter och stora steniga planeter. I så motto att det antingen finns det ena eller det andra runt en sol och skillnaden beror på om det är en röd dvärgstjärna eller en sol av minst vår sol. Men det finns enligt mig en frågeställning till, Är det samma mängd av massa som ska bilda planeter vid varje nybildad sol?

Bild vikipedia Nyupptäckta exoplaneter per år. Dubbelklicka på bilden för förstoring.

Bortom Neptunus finns objekt med mycket svårförklarade banor.

 

Ett sexårigt observerande av rymden bortom Neptunus omloppsbana har resulterat i upptäckten av 461  tidigare okända objekt därute. Dessa objekt inkluderar fyra som är mer än 230 astronomiska enheter (AU) från solen. (En astronomisk enhet är avståndet från jorden till solen, cirka 149,6 miljoner kilometer).

Observationerna kommer från Dark Energy Survey vilket är  ett projekt som startade 2013 med syfte att kartlägga universums galaktiska struktur och den mörka materian. Sex års observation från Blanco-teleskopet i Cerro Tololo i Chile som är involverat i projektet har resulterat i totalt 817 nya bekräftade objekt varav 461 nu beskrivs för första gången i en rapport publicerad på preprintservern arXiv.

Objekten  är alla minst 30 AU bort från oss i en region av solsystemet där mörker råder. Mer än 3 000 trans-neptuniska objekt har nu identifierats i dessa isiga vidder i ytterkanten av solsystemet (objekt bortanför Neptunus).

Kuiperbältet  som regionen kallas har ca 70000 isiga objekt som kretsar mellan cirka 30 AUs och 50 AUs från solen. Av de 461 objekt som för första gången nu beskrivs är några särskilt intressanta. Nio av dessa trans-neptuniska objekt går i banor som svänger ut minst 150 AUs från solen. Fyra av dem  med omloppsbana av 230 AUs.

Det är denna påverkan av dess banor som tyder på en påverkan utanför solsystemets gräns. Vissa forskare tror att det beror på störningar från en ännu inte upptäckt planet, kallad Planet Nio. (Andra tror på en kombination av gravitation hos många små objekt.

 Forskarna fann även fyra nya Neptunus-trojaner. Trojaner är objekt som delar en planets eller månes banor. I det här fallet delar objekten Neptunus omloppsbana runt solen.

För min del anser jag planet nio vara en utopi. Istället är jag anhängare av teorin att mängden objekt därute påverkar varandra gravitationellt . Alternativt har fått sina udda banor genom kollisioner med varandra (min anm.)

Bild från vikipedia på Neptunus sedd från Voyager 2, 1989.