Danskere overrasker med ny viden om jordlignende planeter
Ny dansk forskning vender op og ned på, hvad atronomerne gik og troede om dannelsen af planeter rundt om andre stjerner. Resultaterne kan forklare, hvorfor planeter på størrelse med vores egen jord er så udbredte.
Det er slet ikke så underligt, at rumteleskopet Kepler har fundet tusindvis af planeter, der sandsynligvis har en størrelse, der er sammenlignelig med Jorden, viser ny dansk forskning. Denne illustration viser den relative størrelse mellem de fundne planeter og deres moderstjerne, sorteret efter moderstjernens størrelse fra venstre til højre. (Credit: Jason Rowe, Kepler Mission)

Planeter på størrelse med Moder Jord kan fint opstå uden en høj tilstedeværelse af tunge grundstoffer.

Det afslører nye danske analyser af data fra rumteleskopet Kepler.

Studiet er gennemført under ledelse af astrofysiker Lars A. Buchhave, der er tilknyttet Carlsberg Fellow på Niels Bohr Institutet og det tværgående Grundforskningscenter, StarPlan under Københavns Universitet, og resultatet er af en sådan kaliber, at det i dag publiceres i det højtprofilerede videnskabelige tidsskrift Nature.

»Jeg har vist, at jord-lignende planeter kan være vidt udbredt overalt i vores galakse, da de ikke har særlige krav om forøget indhold af tunge grundstoffer i stjernerne for at kunne opstå,« siger Lars A. Buchhave til Videnskab.dk.

Denne konklusion stemmer godt overens med det billede, der er ved at tegne sig af små planeters udbredelse i vores galakse, nemlig at det ser ud til, at det nærmere er reglen end undtagelsen, at en stjerne har små planeter omkring sig.

»Små planeter kan altså være vidt udbredte i vores galakse, så chancen for at finde planeter som vores egen Jord dermed også er større.«

Små planeter klarer sig uden tunge grundstoffer

De nye resultater kommer som en stor overraskelse. Tunge grundstoffer er nemlig hidtil blevet opfattet som en afgørende ingrediens i dannelsen af alle slags planeter, på samme måde som tilstedeværelsen af mel er en forudsætning for at kunne bage brød.

Observationer har tidligere gjort det klart, at langt de fleste store gasplaneter er tilknyttet stjerner med et højt indhold af tunge grundstoffer, og man har derfor antaget, at de tunge grundstoffer generelt spillede en central rolle for planetdannelse. Men Lars A. Buchhave har med sit studie sat tyk streg under, at tilstedeværelsen af tunge grundstoffer ikke spiller den store rolle for dannelsen af miniput-planeter som vores egen Jord.

Ny metode vred pointen ud af stjernernes lys

Fakta

Målingerne fra rumteleskopet Kepler og fra undersøgelser udført ved brug af teleskoper på Jorden, har i forvejen indikeret at der findes endda mange planeter, som har en størrelse mindre end Neptun og Uranus (få gange Jordens diameter).

Noget tyder på, at alle stjerner er omkredset af planeter, som er mindre end Jupiter og Saturn, mens store planeter er mere sjældne og mange stjerner har slet ikke store planeter i kredsløb.

Lars A. Buchhaves projekt startede oprindeligt som en undren over planetdannelse – den unge forsker funderede over, om planeter kun dannes omkring visse typer af stjerner, om planeterne tager form og størrelse efter, hvor tunge deres værtsstjerner er, og hvad stjernerne har at byde på i deres indre.

I erkendelse af ikke at kunne nå frem til en afklaring alene ved tankens kraft, udviklede Lars A. Buchhave og hans kolleger en metode, der var i stand til at vride flere informationerne ud af stjernernes lys.

Forskergruppen brugte lyset til at kortlægge grundstofsammensætningen af stjernerne til sammenlagt 256 planeter om andre stjerner end Solen – hvor 170 var små planeter, der har en størrelse på op til fire gange Jordens radius.

»Analyserne viser, at forekomsten af mindre planeter ikke afhænger af, at stjernerne har et højt indhold af tungere grundstoffer. Planeter af denne størrelse kan dannes omkring vidt forskellige slags stjerner - også stjerner, der er fattige på tungere grundstoffer,« siger Lars A. Buchhave.

Lars A. Buchhave og hans kollegers vej til målet er blevet fulgt tæt af en flok århusianske astrofysikere, som han ofte arbejder tæt sammen med.

Kepler fælder konsoliderede teorier

Én af følgerne er lektor Hans Kjeldsen fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, der selv er dybt involveret i forskning om ’exoplaneter’, det vil sige planeter om fremmede stjerner.

»Det er et meget vigtigt og virkeligt imponerende resultat, som er et af de strålende eksempler på, hvad vi kan lære om planetsystemer med de fantastiske data, vi har fra Kepler. Det er en meget overbevisende analyse af Lars Buchhave og forskergruppen omkring ham,« siger Hans Kjeldsen og fortsætter:

»Jeg vil sige, at det på nuværende tidspunkt er ét af de vigtigste resultater, som er publiceret på baggrund af Kepler-data.«

Fakta

Kepler-satellitten har indtil videre opsporet 2.300 planeter ved at overvåge stjernens lysstyrke. Er stjernen omkredset af en planet, vil stjernens lysstyrke med ganske bestemte tidsintervaller dykke en smule, hvilket teleskopet kan registrere.

Hans Kjeldsen synes, dette forskningsresultat er så spændende, fordi det er helt i modstrid med, hvad forskerne troede, de vidste.

Tidligere studier af store planeter om andre stjerner har gjort det klart, at der er en sammenhæng mellem, hvor store mængder tungere grundstoffer, de rummer og antallet af planeter i kredsløb om dem. Jo flere tungere grundstoffer en stjerne har, jo større frekvens af store planeter.

Behov for ny teori for planetdannelse

Denne forklaring passede hidtil fint med vores ideer om dannelse af planetsystemer, nemlig at det kræver mere end en ren gas at danne de sammenklumpninger i de tidlige faser af planetdannelsen i den ’protoplanetariske skive’ af gas og støv, som senere samles til planeter.

De nye resultater viser, at det slet ikke hænger sådan sammen for planeter, som i størrelse er nogle få gange Jordens størrelse. Her dannes der lige så tit planeter om stjerner med stort som med lavere indhold af tungere grundstoffer.

»Det er meget overraskende og er en opdagelse som fundamentalt vil få store betydning for vores forståelse af planetdannelse. Det vi alle troede, vi vidste, viser sig at være helt forkert,« siger Hans Kjeldsen.

Ifølge den gængse teori for planetdannelse vil skiven af gas og støv om en nydannet stjerne, fortættes til små nyfødte planeter, som med tiden vokser sig større og større. Forestillingen har været, at det kræver is for at starte denne proces, og at dette sker i den kolde del af skiven af gas og støv omkring den unge stjerne.

Hvis det er sådan at små planeter kan dannes omkring en bred vifte af stjerner, så betyder det nok at små planeter er vidt udbredt. Hvis de er vidt udbredt og der dermed er mange af dem, forøger det naturligvis chancen for at liv som vi kender det på Jorden kan opstå et andet sted i universet

Lars Buchhave

Da mængden af vand-is i skiven må afhænge af mængden ilt, har forskerne forventet, at der er en sammenhæng med mængden af tunge grundstoffer, og det stemmer også fint med de hidtidige målinger for store planeter.

»Det nye er altså, at store og små planeter ikke har de samme forudsætninger for at opstå, og det skal indgå i modellerne for dannelse af planeter. Så der er i den grad brug for revision. Men i forvejen har vi ikke forstået alle de komplicerede processer som finder sted i dannelsesfasen.  Derfor er der måske mere tale om at få bedre viden om, hvilke processer som er vigtige, og ikke så meget, at vi skal lave alt om.«

»De nye resultater er derfor en ny meget vigtig egenskab, som skal indsættes i modellerne og måske giver det os den nye forståelse, vi mangler nu,« siger Hans Kjeldsen.

Større chance for liv andre steder

Resultatet fortæller, at små planeter kan blive født i meget stort antal og kan findes om alle slags stjerner.

De kan være almindelige uanset næsten hvilken stjerne, man ellers kan finde på at studere, og det har i sidste ende betydning for, hvor sandsynligt det er, at der findes liv andre steder i universet, end her.

»Vi forventer at en af betingelserne for liv er at der findes en planetoverflade hvor forholdene omkring luft, temperatur, vand, lys og tyngdeacceleration ved overfladen er tæt på det, vi finder på en planet som Jorden. Den slags planeter findes om alle slags stjerner og ikke kun om de stjerner, som har en bestemt kemisk sammensætning. Det vil sige, at vi kan lede efter liv omkring alle slags stjerner, og at antallet af egnede steder, hvor livet sikkert kan udvikle sig, er vokset,« slutter Hans Kjeldsen.
 

Tunge grundstoffer er sjældne

Grundstoffer tungere end brint og helium er sjældne. Vores univers rummer omkring tre fjerdedele brint og en fjerdedel helium, mens mængden af alle andre grundstoffer tilsammen udgør under én procent.

Lige efter Big Bang rummede universet kun brint og helium, men med tiden skabte stjernerne tungere grundstoffer i deres indre igennem fusionsprocesser, hvor atomkerner blev sammensmeltet til tungere kerner.  Denne proces er så langsommelig, at det har taget universet 13,7 milliarder år at omdanne én procent af sit oprindelige stof til tungere grundstoffer.

Fusionsprocesserne i stjernernes indre virker kun op til jern, der har atomnummer 26. Kæderækken stopper her, fordi fusion af jern forbruger mere energi, end den frigiver. På universel basis udgør stoffer tungere end jern såsom guld, platin og uran kun en milliontedel af grundstofferne, hvilket forklarer, hvorfor de er så kostbare.

Nye stjerner genbruger gamle stjerner

En stjerne er en stor kugle af glødende gas, der producerer energi ved at sammensmelte brint og helium til tungere og tungere grundstoffer. Når hele kernen er blevet omdannet til jern, kan der ikke udvindes mere energi. Nogle stjerner dør på dramatisk vis ved at slynge gigantiske skyer af støv og gas ud i rummet under en supernovaeksplosion. De store gasskyer rummer den afdøde stjernes efterladenskaber i form af bl.a. tungere grundstoffer, som nu indgår som råstoffer i skabelsen af nye stjerner. På den måde vil universet over tid få flere og flere stjerner, der er rige på tunge grundstoffer.

Man har længe vidst, at de tunge grundstoffer spiller en rolle for gasplaneternes dannelse – det nye er, at et højt indhold af tungere grundstoffer er mindre vigtigt for dannelsen af små planeter, hvis størrelse og indhold minder om den, vi bor på.