Jagten på en 'ny Jord' er i fuld gang
Men kraftig drivhuseffekt og kæmpe lag af is eller lava stikker kæppe i hjulet på astronomernes vilde drøm om at finde en ny Jord uden for solsystemet.
Exoplaneter solsystemet rummet trappist 1

'Trappist 1' er et af de planetsystemer, som måske gemmer på nogle Jord-lignende planeter. (Illustration: NASA/JPL-Caltech)

Artiklen er en fortsættelse af artiklen om, hvor meget exoplanetsystemer ligner solsystemet.

Det er klart, at alle astronomer håber at finde en 'Ny Jord', eller en Terra Nova, som en sådan planet også kaldes.

Vi har efterhånden nogle kandidater, men ikke så mange, som man skulle tro.

Hertil kommer et andet problem, nemlig at pressen ofte er alt for hurtigt ude med at erklære, at vi har fundet en planet, der bare helt ligner Jorden. Men går man lidt bag overskrifterne, så viser det sig ofte, at det kræver en meget god vilje at beskrive planeten som en ægte Terra Nova.

Det levende univers

Artiklen er et uddrag af bogen 'Det levende univers', som er skrevet af Helle og Henrik Stub.

Bogen er en introduktion til universets stjerner, planeter, galakser, fysiske love og ikke mindst spekulationer om fremtiden.

Videnskab.dk's læsere får 10 pct. rabat ved køb af bogen hos forlaget. Rabatkode dlu17

'Det Levende Univers' hos PRAXIS - Nyt Teknisk Forlag

Svært at undersøge levevilkårene

Det grundlæggende problem er, at det slet ikke er nok bare at kende planetens bane og størrelse, men også at huske, at de helt lokale forhold på planeten spiller en afgørende rolle.

Det kan være skydække, albedo, atmosfærens drivhusvirkning samt, hvor hurtigt planeten roterer. Normalt kender vi ingen af disse størrelser, men vi kan heller ikke vurdere en planet uden at have disse oplysninger.

Ser vi på Kepler-satellittens målinger, giver de kun to oplysninger om planeten, nemlig størrelse og omløbstid.

  • Størrelsen kan beregnes ud fra, hvor meget planeten formørker stjernen.
  • Omløbstiden findes let ud fra, hvor lang tid der er mellem formørkelserne.

Til gengæld giver stjernens spektraltype oplysninger om dens masse, lysstyrke og temperatur.

To var for gode til at være sande

Vi vil se på to eksempler på exoplaneter, Kepler 186 f og Kepler 452 b, som begge har fået en meget positiv presseomtale, der måske ikke helt dækker virkeligheden.

Kepler 186 f kredser om den røde dværgstjerne Kepler 186, som er af spektraltype M1 V. Stjernen har en afstand på cirka 560 lysår. Keplers målinger af planeten giver følgende oplysninger:

  • Omløbstid T: 130 døgn = 0,356 år
  • Radius:  1,1 - 1,2 Rjord

Noget kan vi dog sige ud fra disse få oplysninger. Da Kepler 186 er af spektraltype M1, er det en kold stjerne med en temperatur på 3800 K, hvilket er 2000 K mindre end Solen.

Det betyder, at hovedparten af strålingen ligger i det infrarøde område. Desuden kan man skønne, at massen er 0,54 Mo, altså cirka halvdelen af Solens masse, og at lysstyrken er cika 5 procent af Solens lysstyrke.

Bruger vi nu Newtons udgave af Keplers 3. lov

  • a3 / T2  = MA + MB

får vi, ved at indsætte T = 0,356 år, M1 = 0,54 M0 og M2 = 0, at a = 0,4 AE.

Her antager vi, at planetens masse M2 er helt forsvindende i forhold til stjernens masse.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 40 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Første kandidat roterer ikke godt nok

Det svarer så nogenlunde til Merkurs afstand til Solen. Denne afstand er så lille, at der en høj sandsynlighed for, at planeten enten roterer meget langsomt, som Merkur, eller har bunden rotation, hvor den altid vender samme side mod stjernen.

Ingen af disse to muligheder gør Kepler 186 f til 'En ny Jord'.

Hvis der er tale om bunden rotation, vil der være en varm dagside og en kold natside, selv om en tæt atmosfære efter de nyeste modeller kan udjævne temperaturforskellen noget.

Er måske for kold eller for varm

Planet med bunden rotation

En tegners udlægning af en planet med bunden rotation, med en varm dagside dækket af ørken, et smalt beboeligt bælte og en isdækket natside. Det er dog muligt, at en tæt atmosfære vil forhindre så store forskelle mellem dagside og natside. (Illustration: Stig Bing)

Så kommer spørgsmålet om temperatur, og det er næsten ikke til at besvare, fordi vi hverken kender albedo eller drivhuseffekt. Det eneste, vi kan beregne, er den flux, Kepler 186 f modtager i forhold til den flux, Jorden modtager fra Solen. Fluxen måles i W/m2 og er givet ved formlen

  • F = L / (4 ∙ π ∙ r2)

Da Stjernens lysstyrke er 6 procent af Solens og afstanden 40 procent af Jordens afstand, ses, at Kepler 186 f modtager en flux, som er cirka 37 procent af den flux, Jorden modtager. Det er så lidt, at en planet som Jorden vil være for kold til liv, men Kepler 186 f er netop ikke en planet som Jorden.

Hvis den har bunden rotation og desuden har en tæt atmosfære med høj drivhusvirkning, kan der da godt være steder med egnede temperaturer – måske på dagsiden eller i den smalle zone, der adskiller dagsiden fra natsiden. Vi ved det ikke, men det er da en mulighed.

Luft- og havstrømme hjælper på temperaturen

Selvom bunden rotation bestemt ikke får en planet til at ligne Jorden, viser de nyeste modelberegninger, at sådanne planeter måske ikke er helt ubeboelige.

Den klassiske opfattelse er, at planeten på dagsiden vil være en tør og varm ørken, mens natsiden vil være meget kold og sandsynligvis dækket af et tykt lag is. Kun i en smal zone mellem dagside og natside, hvor stjernen altid står lavt i horisonten, vil der være et tempereret klima.

De nye modeller viser, at en bare nogenlunde tæt atmosfære vil udjævne forskellen mellem dagside og natside. Der vil nemlig altid blæse kraftige vinde fra dagsiden mod natsiden, og den varme luft kan forhindre, at natsidens temperatur kommer så langt ned, at overfladen bliver dækket af kilometertyk is.

Hvis planeten desuden har et hav, vil havstrømme være meget effektive til at udjævne temperaturer – ligesom Golfstrømmen her på Jorden er afgørende for, at Nordeuropa har et tempereret klima. Et hav på dagsiden vil desuden skabe et tæt skylag, der forøger albedoen og dermed nedsætter planetens temperatur.

Det åbner mulighed for at kunne bo både på dagsiden og natsiden, så måske er det slet ikke så slemt at bo på en planet med bunden rotation. Det er endda muligt at se en solopgang. Det kræver blot en lang tur fra natsiden og ind på dagsiden, og undervejs på rejsen vil Solen komme stadig højere op på himlen – hvis den da ikke er skjult af skyer.

Anden kandidat ligner Jorden lidt mere

Kepler 452 b kredser om en G2 V stjerne 1.400 lysår borte. Men selv om stjernen Kepler 452 har samme spektraltype som Solen, er den både en smule større og varmere end Solen, hvilket tyder på, at den er længere fremme i sin udvikling.

Solens lysstyrke vil også langsomt vokse - med den ubehagelige konsekvens, at Jordens have på et tidspunkt vil fordampe og dermed efterlade Jorden som en varm ørken. Det ligger heldigvis langt ude i fremtiden.

Kepler satellittens data for planeten er:

  • Omløbstid T = 384,8 døgn = 1,05 år
  • Radius = 1,63 Rjord

Ved at bruge data om stjernen kan man på samme måde som for Kepler 186 f beregne afstanden til stjernen til 1,046 AE. Her har vi så endelig en planet, der kredser om en stjerne, der ligner Solen i omtrent samme afstand, som Jorden kredser om Solen.

Kepler 186 og Kepler 452 solsystemet kredsløb

Her sammenlignes Kepler 186, Kepler 452 og solsystemet. Kepler-186 kan siges at være et miniature solsystem, der ikke er større end Merkurs bane. Kepler-452b's kredsløb er næsten det samme som Jordens med 1,05 astronomiske enheder (en astronomisk enhed er afstanden mellem Jorden og Solen), og Kepler-452b gennemfører en bane om sin stjerne på 385 dage. (Illustration: NASA/Ames/JPL-Caltech)

Løbsk drivhuseffekt gør den ubeboelig

Alligevel er der problemer.

For det første er det ikke en jordklode, vi har med at gøre, men en 'superjord'. Hvis den er opbygget som Jorden med nogenlunde samme massefylde, får den nemlig en ganske stor masse. Rumfanget er jo 1,633 = 4,3 gange større end Jordens rumfang, og det vil så give en tilsvarende større masse.

I en så stor planet vil massefylden nok også være større end Jordens massefylde, så man er endt på en masse omkring 5 gange Jordens masse.

Det vil ret sikkert betyde, at Kepler 452 b har en meget tæt atmosfære, med en tilsvarende stor drivhuseffekt. Vi kan ikke vide det, men det lyder sandsynligt. Og det er ikke godt, for Kepler 452 har en lysstyrke 20 procent større end Solen.

Igen foretager vi en fluxberegning og finder F = 1,1 Fjord.

Planeten modtager altså en Flux, som er 10 procent højere end den, vi modtager, og det er efter vore bedste modeller grænsen for, hvad en klode kan klare, før vi får en helt løbsk drivhuseffekt, hvor havene fordamper, og kloden ender som Venus.

Kepler 452 b kan altså meget vel vise sig at være en 'supervenus'. Men måske kan denne skæbne udskydes lidt, fordi Kepler 452 b med sin stærke tyngdekraft på næsten det dobbelte af Jordens tyngdekraft bedre kan holde på havene.

I alle tilfælde er der dog tale om en stakket frist, for Kepler 452 er mindst en milliard år længere fremme end Solen i sin udvikling. Den vil blive stadig varmere, og inden for en astronomisk set kort tid vil planeten blive ubeboelig.

Så igen: Kepler 452 b er ikke en Terra Nova.

Et helt andet planetsystem: Trappist 1

Det må vist siges at høre til sjældenhederne, at et exoplanetsystem har fået navn både efter et teleskop og efter en katolsk munkeorden.

Men det er tilfældet for en af de mest omtalte opdagelser, Trappist 1, som omfatter hele syv planeter, der kredser om en meget lille og kold stjerne af spektraltype M8 V.

Systemet er opdaget fra La Silla observatoriet i Chile med et specialbygget teleskop, der har navnet Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope. Ud fra dette navn kan man med lidt opfindsomhed danne akronymet TRAPPIST.

Målingerne blev senere analyseret på universitetet i den belgiske by Liege, hvor man har en tradition med at drikke TRAPPIST øl, som er brygget af munkeordenen af samme navn – og i hvert fald blev opdagelsen behørigt fejret med nogle gode flasker.

Består af 7 planeter og en lille, kold stjerne

Systemet er enestående. Stjernen, der kun har et langt katalognummer, men nu bare kaldes for Trappist 1, er ikke meget større end Jupiter, selv om dens masse er 84 gange Jupiters masse og dermed næsten 8 procent af Solens masse.

Med en temperatur på 2.500 K lyser den heller ikke meget – især ikke i synligt lys. Langt det meste af strålingen er infrarødt lys, der nok er usynligt for vore øjne, men alligevel kan varme en planet op. Afstanden til Solen er 40 lysår.

Hvis stjernen kan sammenlignes med Jupiter, kan planetsystemet i størrelse næsten sammenlignes med Jupiters system af måner. Seks af de syv planeter befinder sig mindre end 7 millioner km fra stjernen, mens den yderste af de fire store Jupitermåner, Callisto, kredser 1,9 millioner km fra Jupiter.

Samtlige planeter med data er vist her:

Exoplaneter solsystemet rummet trappist systemet

De syv planeter i Trappist systemet sammenlignet med de fire inderste planeter i vort eget solsystem. (Illustration: NASA)

Det mest overraskende er, at det har været muligt at måle både planeternes størrelser og masser. Massebestemmelsen bygger på, at man har kunnet måle, hvor meget planeterne påvirker hinanden.

Metoden bygger på det, som kaldes Transit Timing Variations, hvilket dækker over, at den tid, en bestemt planet formørker stjernen, varierer en smule – lige fra omkring et halvt minut og op til en halv time.

Forklaringen er, at der er meget kort afstand mellem de syv planeter, som derfor har let ved at påvirke hinanden med deres tyngdekraft. Kender man banerne, kan planeternes masser bestemmes ved nogle ret komplicerede udregninger.

Måske er tre af planeterne beboelige

Med masse og radius kendt har vi massefylderne, og dermed en mulighed for at afgøre, om der er tale om klippeplaneter som Jorden eller små gasplaneter.

Resultatet er, at massefylderne varierer mellem 60 procent og 117 procent af Jordens massefylde. Usikkerheden på målingerne er stor, men tallene tyder på, at der er tale om klippeplaneter.

Endelig er der spørgsmålet om temperaturer. Med en samlet udstråling på kun 0,0005 af Solens udstråling, er det klart, at en planet skal være tæt på stjernen for at blive varmet op til noget, liv kan tåle.

Exoplaneter solsystemet rummet trappist systemet

Sammenligning mellem Solen og Trappist 1, der har en diameter på kun 11 procent af Solens diameter. (Illustration: ESO)

Nu er det dog næsten sikkert, at alle Trappist planeterne har bunden rotation, og selv om de har en atmosfære, der kan fordele varmen lidt, så vil dagsiden stadig være langt varmere end natsiden.

Ser man alene på temperaturerne, skulle der være håb om, at planeterne e, f og g skulle være beboelige.

Men det er måske et optimistisk håb. Helt nye målinger af stjernen viser, at den meget hyppigt udsender stærke flares, med intens røntgenstråling og stråling i det ultraviolette område.

På bare 80 dage blev der observeret ikke mindre end 42 flares – og mange af dem var stærke nok til at fremkalde kemiske ændringer i atmosfæren på en planet.

For at kunne beskytte sig mod en af disse stærke flares skulle planeten have et magnetfelt langt stærkere end Jordens, og det anses for tvivlsomt, om en planet med bunden rotation kan have et så stærkt magnetfelt.

En hjemløs kæmpeplanet opdaget

I 2013 opdagede astronomer fra Hawaiis Universitet no­get, der først lignede en meget lille og lyssvag stjerne.

Der blev taget et infrarødt billede, og den fik katalognum­meret PSO J318.5-22.

Det viste sig dog hurtigt, at med en masse på kun seks jupitermasser var der ikke tale om en stjerne, men en planet.

PSO J318.5-22 er kun 900 grader varm, og den befinder sig 80 lysår borte. Den ligner på mange måder en nydannet kæmpeplanet, bortset fra at den ikke tilhører noget planetsystem, men driver afsted helt alene i rummet, langt fra nogen stjerne.

Dermed har PSO J318.5-22 sluttet sig til gruppen af 'hjemløse' planeter, der ikke kredser om nogen stjerne. Den udmærker sig ved at være den første hjemløse planet, der direkte er fotograferet.

Andre hjemløse fundet ved 'mikrolensing'

Resten er fundet ved mikro­lensing, blandt andet af et hold forskere, der fra New Zealand og Chile har observeret stjerner nær Mælkevejens centrum, 26.000 lysår borte. Det er så langt væk, at astronomerne på forhånd vidste, at de ikke havde nogen mulighed for at se planeter, der befinder sig måske tusinder af lysår borte.

I deres planetjagt brugte de derfor mikrolensing, der er betegnelsen for den gravitationslinseeffekt, en planet kan give.

Varigheden af en mikrolensing afhænger af massen af den planet eller stjerne, som skaber effekten. Hvis ef­fekten strækker sig over uger, er der tale om en stjerne, hvis vi er nede på dage, så er det mest sandsynligt, at det er en planet, som har skabt effekten ...

Exoplaneter solsystemet rummet Planeten PSO J318.5-22

Planeten PSO J318.5-22 fotograferet af teleskop på Hawaii. På grund af planetens høje temperatur må den være dannet for nyligt, og alderen er skønnet til ikke over 12 millioner år. (Foto:  Metcalfe / Pan-STARRS 1 Science Consortium)

Måske flere hjemløse end planeter med et hjem

Der blev fundet 10 kortvarige begivenheder af et par da­ges varighed, som kunne tyde på, at effekten er skabt af planeter på størrelse med Jupiter. Hvis en planet kredser omkring en stjerne, kan man jo ikke undgå også at se en meget større linseeffekt fra stjernen.

Det har man ikke set her, så derfor antager man, at de ti planeter virkelig er hjemløse og driver omkring i rummet mellem stjernerne.

Igen bruger man statistiske argumenter for at beregne, hvor mange hjemløse planeter der findes i Mælkevejen.

Resultatet er, at der muligvis er flere hjem­løse planeter end planeter, som kredser omkring en stjerne. Den nærmeste hjemløse planet er måske endda nærmere end Proxima Centauri, der med en afstand på 4,3 lysår er den stjerne, som er tættest på Solen.

Planeterne har nok ikke altid været hjemløse, de har sikkert oprindeligt været med i et planetsystem. Men i dag ved vi, at dannelsen af et solsystem er en ret kaotisk affære, hvor 'scattering processer' kan føre til, at planeter kan blive slynget helt bort.

Steppeulvsplaneter kan måske rumme liv

Opdagelsen af hjemløse planeter har ført til et nyt begreb, kaldet 'steppeulvsplaneter'.

Navnet skyldes de to amerikanske astronomer Dorian Abbot (1981-) og Eric Switzer (1980-). Som de selv siger, begyndte de med at stille spørgsmålet: Hvad sker der, hvis vi slukker for Solen?

Senere gik de videre og så på planeter, som driv­er rundt i rummet langt fra den nærmeste stjerne. Det inspirerede til navnet steppeulvsplaneter, da »en sådan planet vil være som en ensom ulv, der vandrer på den ga­laktiske steppe«.

Steppeulvsplaneter kan måske endda rumme liv, hvis de altså havde det, før de blev sparket ud af deres solsy­stem.

Naturligvis ville havene hurtigt fryse, efter at pla­neten har forladt sit solsystem, men is isolerer godt, og dybt nede vil et hav måske kunne holde sig flydende. Alle planeter af klippe og metal har selv en varmekilde, nem­lig henfaldet af de radioaktive stoffer, der findes i klip­perne.

Abbot og Switzer har beregnet, at for en planet med 3-4 gange Jordens masse vil den radioaktive varme være stærk nok til at bevare et ocean under et isdække i op til fem milliarder år.

Artiklen er et uddrag af bogen 'Det levende univers'. Uddraget udgives på Videnskab.dk i tre artikler svarende til bogens kapitel om exoplaneter.