De fremmedartede exoplaneter

I efteråret 1995 deltog vi i et astronomikursus, hvor vi mødte den danske astronom Erik Høg, der netop var vendt hjem fra ophold i udlandet. Vi spurgte, om han havde nyt med hjem, og det havde han.

Den første exoplanet, ‘Pegasi 51 b’, var netop opdaget af astronomerne Dedier Queloz og Michel Mayor fra observatoriet i Geneve.

Vi forestillede os dengang, at nu var vejen banet til hurtigt at finde planeter, der mindede om vores egen Jord.

I dag – og lidt over 5.000 exoplaneter senere – er sandheden en helt anden. De data, vi har i dag, tyder på, at en planet, der bare nogenlunde minder om Jorden, er en sjældenhed.

Og data tyder også på, at det er ikke bare Jorden, der er enestående. Det er vores solsystem også.

Man kan vist roligt sige, at vi er blevet mere ensomme i et stort og fremmedartet univers.

Der er især to områder, vi er blevet klogere på. Det ene drejer sig om exoplaneternes typer, og den anden om opbygningen af de fremmede solsystemer.

Fire typer af exoplaneter

De godt 5.000 exoplaneter, der til dato er fundet, deles i en overskuelig oversigt op i følgende fire grupper:

• Superkæmper
• Neptun-lignende planeter
• Superjordkloder
• De små jordlignende planeter

De største blandt exoplaneterne er superkæmperne – gasplaneter på størrelse med Jupiter og Saturn eller endnu større. De har typisk meget varme overflader. Denne gruppe udgør 30 procent af exoplaneterne.

De Neptun-lignende planeter er på størrelse med Neptun og Uranus i vores solsystem. De fleste har kolde overflader og kan betegnes som isplaneter. Nogle få har dog varme overflader.

Gruppen udgør 35 procent af exoplaneterne.

Superjordkloderne rækker fra planeter en del større end Jorden og op mod Neptuns størrelse. De fleste er nok klippeplaneter som Jorden, mens andre kan være klippeplaneter omgivet af dybe atmosfærer.

Vi finder ikke denne planettype i vores solsystem. Gruppen udgør 31 procent af exoplaneterne.

Endelig er der gruppen af de jordlignende planeter, som er små klippeplaneter på størrelse med Jorden eller lidt mindre.

Denne gruppe udgør kun 4 procent af alle exoplaneter – så allerede her bliver vi mindet om, at vores egen Jord måske er lidt af en sjældenhed – men det vender vi tilbage til.

Fire grupper af planetsystemer

Nye studier fra universiteterne i Bern og Geneve under ledelse af astronomen Lokesh Mishra har ført til en helt ny opdeling af de fremmede planetsystemer.

Vi kender nu næsten 4.000 stjerner med planeter omkring sig. De fleste har kun en enkelt planet, men 855 stjerner har planetsystemer med to til otte planeter. Og det har været basis for den nye gruppering med de fire typer af solsystemer.

De fire typer har fået betegnelserne ’ensartede’, ’ordnede’, antiordnede’ og ’blandede’

Lad os se på, hvad det betyder.

Den første gruppe – altså de ensartede – er de planetsystemer, hvis planeter stort set ligner hinanden. Det kan være, at alle planeterne er gaskæmper som Jupiter eller mindre planeter som Jorden. Det er også den mest almindelige type exoplanetsystem, idet den udgør 80 procent af de fremmede planetsystemer.

Derfor er det heller ikke så mærkeligt, at de første mange exoplanetsystemer, der blev opdaget af Keplerteleskopet i perioden 2009-2018 netop tilhørte denne gruppe af ensartede planeter.

Navnet på den anden gruppe, de ordnede, refererer til, at planeterne er ordnet efter størrelse ligesom i vores solsystem, så de mindste planeter er nærmest stjernen, og de større planeter befinder sig længere borte fra stjernen.

Lige modsat Gruppe 1 – og til forskernes store overraskelse – viste det sig, at denne gruppe var den mindst hyppige blandt exoplanetsystemerne.

Det ser virkelig ud til, at vi har været meget heldige. Ikke alene er Jorden en meget sjælden planettype, men vi bor måske også i et usædvanligt solsystem.

Er vores solsystem og Jorden en sjældenhed?

Vi har jo et par gange antydet, at både Jorden og vores solsystem ser ud til at være en sjældenhed. Vi skal dog passe på med at drage for hastige konklusioner. Det ser måske sådan ud ifølge de exoplaneter og planetsystemer, vi indtil nu har fundet.

Men det afspejler ikke nødvendigvis virkeligheden, men derimod i højere grad de typer af planeter og planetsystemer, man har observeret indtil nu – simpelthen fordi de var lette at observere.

Den mest almindelige metode til at finde exoplaneter er formørkelsesmetoden, hvor man måler, hvordan og hvor hyppigt en planet formørker sin stjerne set her fra Jorden.

Men videnskaben om exoplaneter er ung, ikke engang 30 år gammel.

Det er derfor ikke så mærkeligt, at det, der kendetegner de planeter, vi kender i dag, er, at de har forholdsvis korte omløbstider, og at de planetsystemer, vi kender, er små i forhold til vores solsystem.

Vi har simpelthen ikke observeret længe nok til at kunne finde exoplaneter med rigtig lange omløbstider såsom dem, vi har i vores solsystem. Således har Uranus en omløbstid på 84 år og Neptun på 165 år.

For at observere to eller flere formørkelser skabt af planeter med så stor omløbstid skal vi et par århundreder frem. De tabeller, vi vil råde over i år 2300, vil måske vise, at planetsystemer som vores ikke er så sjældne endda.

Det samme gælder for planeter på størrelse med Jorden. De er jo vanskeligere at opdage end de meget større planeter.

Så det er desværre nødvendigt med længere tid og en langt større tålmodighed, før vi med sikkerhed kan besvare spørgsmålet om, hvor enestående vores planet og vores solsystem er.

Sådan dannes de forskellige solsystemer

Forskergruppen fra Schweiz gav sig også til at overveje, hvad der var årsag til, at planetsystemerne kom ud i flere udgaver. Vores solsystem og alle andre er oprindeligt dannet ud fra en stor gas- og støvsky omkring en stjerne – og her spiller både massen af skyen og indholdet af grundstoffer i stjernen en rolle for, hvilket planetsystem der kommer ud af det.

Mishra og hans gruppe mener nu, at Gruppe 1 med de ensartede planeter oprindeligt stammer fra de mindre gas og støvskyer omkring stjerner med et lavt indhold af tunge grundstoffer.

Store massive gasskiver og mange tunge grundstoffer i stjernen fører derimod til de ordnede og antiordnede solsystemer i Gruppe 2 og 3.

Endelig har den senere udvikling i de unge solsystemer, herunder vekselvirkning mellem de nydannede planeter, en indflydelse. Planeter kan kollidere og derved flytte omkring eller blive smidt helt ud fra et ungt planetsystem. Denne udvikling kunne føre til de blandede planetsystemer af gruppe 4.

Et udvalg af solsystemer

Der er vist ikke mange fremmede solsystemer, der rammer Gruppe 1 med de ensartede planeter bedre end Trappist-systemet, som ligger bare 40 lysår fra Solen.

Her kredser ikke færre end syv planeter nogenlunde på størrelse med Jorden omkring en lille rød dværgstjerne, der ikke er meget større end Jupiter.

De syv planeter, der alle vurderes at være klippeplaneter, ligger næsten på række tæt på hinanden som perler på en snor med omløbstider omkring stjernen mellem 1,5 døgn for den inderste og 19 døgn for den yderste planet, som ligger knap 9 millioner kilometer fra den lille røde sol.

Her kan vi lige bemærke, at Merkur i vores solsystem ligger 58 millioner kilometer fra Solen.

Selvom Trappist-stjernen udsender et meget svagere lys end Solen, så er planeterne tilsvarende så tæt på, at et par stykker af dem kan have temperaturer som Jorden.

Nu har James Webb-teleskopet netop forsøgt at måle temperaturen på den inderste Trappist-planet ved at måle på den stråling, som planeten udsender.

Resultatet var en temperatur omkring 230 grader, hvilket viser, at planeten nok ikke kan holde på en atmosfære.

Men det er jo kun begyndelsen. Der er stadig håb for, at de midterste planeter i rækken har jordlignende temperaturer og dermed kan holde på en atmosfære.

Er 55 Cancri Solsystemets tvilling?

Det er ikke let at finde et solsystem, der minder om vores på den måde, planeterne er fordelt. Det nærmeste, vi måske lige nu kommer, er stjernen 55 Cancri – 40 lysår borte, der i størrelse og alder minder om Solen.

Der er fem planeter omkring stjernen, heraf fire indre, der er en del større end alle vores indre planeter. En af dem er en endda en superjordklode meget tæt på stjernen med en omløbstid på bare 18 timer.

Den femte planet er en gaskæmpe på fire Jupiter-masser, der med en omløbstid på 14 år befinder sig længere borte fra stjernen – ligesom gasplaneterne i vores solsystem.

Helt som vores solsystem er 55 Cancri nu ikke.

Det er dog muligt, at der er flere planeter, end vi endnu har opdaget. Men betegnelsen ’Solsystemets tvilling’ viser nu snarere, at vores solsystem virkelig er en sjældenhed.

Planetsystemer i omvendt orden

Blandt de første exoplaneter, vi opdagede, var der en del ganske store gaskæmper, der kredsede tæt på deres stjerne. Det gælder også den første exoplanet, 51 Pegasi b fra 1995, der kredser så tæt på sin stjerne, at omløbstiden kun er fire døgn.

Opdagelsen var noget af en overraskelse, fordi ingen på forhånd havde forestillet sig, at der kunne eksistere planeter af den type, som vi i dag kalder for ’Hot Jupiters’.

En hot Jupiter er en gasplanet af Jupiterstørrelse der kredser så tæt på sin stjerne, at den er meget varm. 51 Pegasi b har således en temperatur på omkring 1.000 grader.

I virkeligheden er ’Hot Jupiters’ en ret sjælden type planet, men de er lette at opdage. Det er jo store planeter, og når de er meget tæt på deres stjerne, kan de med deres stærke tyngdekraft påvirke stjernen, som derved kommer til at ’rokke’ i sin bevægelse.

Planeten blev netop opdaget på grund af stjernens rokkende bevægelse.

Men eksistensen af Hot Jupiters viser, at det ikke er nogen naturlov, at de store planeter skal være yderst i et planetsystem.

Frank Drakes stjerne

Astronomen Frank Drake, der døde sidste år, var en pioner indenfor SETI- forskningen, som er jagten på intelligent liv i universet. Drake var den første, der rettede et radioteleskop mod stjernerne med det formål at lytte efter signaler fra fremmede civilisationer.

Den første stjerne, som Drake lyttede på, var Tau Ceti, som er en sollignende stjerne knap 12 lysår borte i stjernebilledet Cetus – på dansk ’Hvalfisken’.

I dag ved vi, at Tau Ceti har et planetsystem omkring sig. Der er foreløbig bekræftet fire planeter, alle superjordkloder, hvoraf to befinder sig i den beboelige zone omkring stjernen.

Der er desuden tegn på yderligere fire planeter, heraf en Jupiter-planet længere borte fra stjernen. De sidste fire planeter er dog endnu ikke bekræftede.

Men hvis eller når det sker, så står vi måske overfor et endnu bedre eksempel på et fremmed solsystem, der kunne minde om vores eget med otte planeter fordelt i mindre indre planeter og større ydre planeter.

Der er vist ingen tvivl om, at Frank Drake har fulgt opdagelserne i Tau Ceti-systemet. Man kunne have undt ham at have nået at kende det fulde billede af dette fremmede solsystem.

Den gådefulde Venus

Måske har Venus haft en kort fase i sit tidlige liv, hvor planeten mindede om Jorden med oceaner og frodige landområder, hvor det regnede, og hvor temperaturen var tilpas for spirende liv.

Venus kan have været en planet med liv i en kort fase for måske 3-4 milliarder år siden, inden den bukkede under for en løbsk drivhuseffekt, hvor havene fordampede og vandet blev splittet i brint og ilt. Brinten forsvandt ud i rummet, mens ilten bandt sig til andre stoffer.

Venus og Jorden minder på nogle områder om hinanden. De er omtrent lige store, og begge er klippeplaneter, der befinder sig stort set inden for det område, man kalder den beboelige zone. Og det kan så tænkes, at de to planeter har mindet om hinanden i de første par milliarder år efter dannelsen.

Men hvor Jorden udviklede sig til en frodig planet fuld af liv, så endte Venus som en tør og varm planet, der ikke levnede livet mange chancer i en løbsk drivhuseffekt, hvor alt planetens vand fordampede og efterlod en tør, varm planet med en overfladetemperatur på 480 grader og en tæt atmosfære af kuldioxid.

Desuden er hele planeten omgivet af tykke skyer med små dråber af koncentreret svovlsyre, og hvor det regner fra sky til sky med svovlsyre. Dog er temperaturen så høj, at regnen fordamper, før den når overfladen.

Vi har meget at lære om denne markante forskel mellem de to planeter. Der er muligvis en hårfin balance i udviklingen af planeter i den beboelige zone omkring en stjerne.

Den balance kan vi lære mere om ved at studere exoplaneter, der minder om Venus. Og det bliver netop en opgave for James Webb teleskopet i 2024.

Forskere fra University of California har blandt 300 exoplaneter udvalgt en lille gruppe på fem, kaldet ’exoVenusplaneter’, som Webb-teleskopet nu skal undersøge nærmere for biosignaturer. Det sker ved at optage spektre, og se om man kan påvise ilt, vand eller metan og andre stoffer, der kan referere til liv.

Det er så håbet at blive klogere på udviklingen af disse planeter i grænseområdet mellem at udvikle liv som Jorden eller løbe løbsk som Venus.

Den nærmeste exoplanet

Den nærmeste exoplanet, vi kender, kredser om den stjerne, som er tættest på Solen, nemlig ’Proxima Centauri’ bare 4,3 lysår borte.

Proxima er en del af et tredobbelt stjernesystem, der består af to sollignende stjerner Centauri A og B, samt den lille røde dværgstjerne Proxima, der i stor afstand kredser om de to andre stjerner.

De tre stjerner kan ses i stjernebilledet Centauren på den sydlige stjernehimmel. På grund af afstanden kan vi ikke skelne de enkelte stjerner, men ser kun en enkelt, ret klar stjerne.

Desværre har man ikke bekræftede planeter omkring A- og B-stjernerne. Til gengæld er der omkring Proxima Centauri fundet to planeter Proxima b og Proxima d og muligvis en tredje, Proxima c, der endnu ikke er bekræftet.

Proxima b er en planet på størrelse med Jorden, og den ligger i den beboelige zone, hvor der skulle være mulighed vand i form af mindre have eller søer.

Man skal dog nok ikke vente at møde ret meget liv her, da Proxima Centauri er en ’flare-stjerne’, der med mellemrum sender byger af farlig stråling ud mod planeterne. Rigtig mange røde dværgstjerner er netop af denne type, og det nedsætter desværre muligheden for at finde liv på planeter omkring røde dværgstjerner.

Den fjerneste exoplanet

Den fjerneste exoplanet, der indtil nu er fundet, har betegnelsen OGLE-2012-BLG-0026L og befinder sig 13.300 lysår borte.

Planeten er en gaskæmpe lidt mindre end Jupiter, der kredser omkring sin stjerne på lidt over 10 år i nogenlunde samme afstand som Jupiter i vores solsystem er fra Solen.

Denne fjerne planet blev opdaget i 2012 ved den metode, der kaldes gravitationslinsemetoden.

Princippet er, at både stjerner og planeter kan virke som linser for lys fra bagved liggende objekter. Når en stjerne passerer hen foran en baggrundsstjerne, vil man derfor se en kortvarig forøgelse af den bagerste stjernes lys, fordi den bliver forstærket af linseeffekten.

Hvis den forreste stjerne også har en planet, vil der vise sig en lille ekstra top.