Er Solsystemet enestående?

Vi kender i dag tusinder af exoplaneter og derfor også mange andre planetsystemer end vores eget. Men det ser ud til, at planetsystemer, der i opbygning minder om vores solsystem, er sjældne.

Er vores solsystem virkelig enestående? Og er det derfor, at Solsystemet rummer en planet med liv?

Disse to mysterier er afgørende for at forstå vores plads i universet. Derfor er det emner, som optager mange astronomer.

Det er godt at have naboer

En af de vigtigste artikler, der sammenligner vores solsystem med de mange andre planetsystemer, vi kender, er skrevet af to forskere fra Niels Bohr Institutet, nemlig Nanna Bach-Møller og professor Uffe Gråe Jørgensen.

De to forskere har sammenlignet Solsystemet med flere end 1.000 andre planetsystemer i vores Mælkevej, og deres konklusion er, at på nogle områder er vores solsystem ret sjældent, mens det på andre områder er ret ordinært.

Vores solsystem er en sjældenhed, fordi det rummer otte store planeter. Af de kendte exoplanetsystemer er det kun omkring 1 procent, der har så mange planeter. De fleste har bare en til fire planeter.

Men undersøgelsen viser, at vi skal være meget glade for at bo i et planetsystem med mange planeter. For det er kun i sådanne planetsystemer, at planeterne får de næsten cirkulære baner, som er en forudsætning for et stabilt klima.

Langt de fleste exoplaneter har mere eller mindre aflange baner, hvilket ikke kan undgå at give store udsving i klimaet, og dermed gøre dem mindre egnede til liv.

Får planeter = aflange baner, mange planeter = cirkulære baner

Opdagelsen af, at der er en sammenhæng mellem antallet af planeter og planeternes baner er helt afgørende, men har i virkeligheden en ret simpel forklaring.

Planetsystemer begynder som en stor sky af gas og støv, som kredser omkring en stjerne.

I skyen dannes først protoplaneter i cirkulære baner. Protoplaneterne er alle ret små, nærmest af asteroidestørrelse, men alligevel kan de påvirke hinanden, fordi de alle har en tyngdekraft. Beregninger viser, at resultatet bliver, at protoplaneternes baner ændrer sig, så de bliver mere elliptiske eller aflange.

Efterhånden får vi et stort antal protoplaneter i aflange baner, der ofte krydser hinanden, og det er en sikker opskrift på sammenstød, som efterhånden fører til dannelse af de store planeter, vi kender i dag. Hvis der kun er et par planeter i systemet, så beholder de store planeter de aflange baner.

Beregninger viser, at hvis planetsystemet indeholder mange planeter, så får tyngdekraften mellem planeterne dem til at miste energi, med det resultat, at de danner mere og mere cirkulære baner.

Vores solsystem er enestående på mange måder

Det simple ville nu være at sige: OK, Solsystemet er en sjældenhed ved at have otte planeter, men ellers er Jorden ikke spor speciel.

Det er muligt, det er sådan, men langt fra sikkert. Vores solsystem er nemlig usædvanligt på flere andre måder:

Vores solsystem er meget stort. Der er mange millioner km mellem planeterne, og den yderste af de store planeter, Neptun, er hele 4,5 milliarder km fra Solen. Langt det mest almindelige er små og kompakte solsystemer med kort afstand mellem planeterne. Vi kender planetsystemer, hvor syv planeter er pakket i et så lille område, at de i vores solsystem alle ville befinde sig inden for Merkurs bane.

Vores solsystem er usædvanlig velordnet, med de store gasplaneter Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun langt fra Solen, mens de små planeter af klippe og metal, Merkur, Venus, Jorden og Mars, alle er tæt på Solen. Så pænt er planeterne ikke ordnet alle steder.

Vi mangler i vores solsystem to typer af planeter, som andre steder er ganske almindelige, nemlig ’superjorde’, som er planeter af samme opbygning som Jorden, men bare større, og ’mini-Neptun’-planeter, som er mindre end Neptun, men alligevel med tætte atmosfærer af brint og helium.

Et helt uløst spørgsmål er, om også disse punkter har betydning for muligheden for liv. Man har således spekuleret over, om Jupiter med sin stærke tyngdekraft har sørget for at sende kometer fyldt med is ind mod Jorden og på den måde været med til at skabe Jordens have.

Det er nemlig et problem at forklare, hvordan Jorden har fået sit vand. Der er mange teorier, men ingen sikker viden.

Fotosyntese er en afgørende faktor for liv, som vi kender det

Et andet mysterium har været, hvorfor netop vores solsystem rummer en planet med liv.

Hidtil har vi sagt, at det er nok med en planet med vand på overfladen. Det giver en betydelig begrænsning på planetens temperatur. Den må ikke være så varm, at have fordamper, eller så kold, at planeten bliver dækket af is.

Planeter, som opfyldte dette krav, blev anset for at befinde sig inden for den såkaldte 'beboelige zone'.

Men måske er det ikke nok at befinde sig inden for denne zone, for liv kræver mere end vand, nemlig også energi.

Her på Jorden produceres 99 procent af biomassen ved hjælp af fotosyntese, og det kræver lys af bestemte bølgelængder.

Da naturlovene er de samme overalt i universet, er det ikke en urimelig antagelse, at liv andre steder har de samme krav – selv om man selvfølgelig ikke kan udelukke helt fremmedartede former for liv, der stiller helt andre krav end jordisk liv. Men da vi ikke kan sige noget fornuftigt om den mulighed, så holder vi os til liv der ligner det vi kender.

Her får vi brug for et begreb, er hedder PAR, som står for Photosynthetically Active Radiation, der angiver stråling med bølgelængder, der har betydning for fotosyntesen.

Det drejer sig om stråling med bølgelængder i området 400 og 800 nm, altså fra blåt lys til lidt ind i det infrarøde område. Det er kun stråling i dette såkaldte PAR-område, som kan understøtte fotosyntese for liv, som vi kender det.

Så på trods af, at en exoplanet befinder sig i den beboelige zone, hvor temperaturen er tilpas for liv, så er det måske ikke nok. For selv om strålingen fra stjernen er stærk nok til at skabe et godt klima, så hjælper det jo ikke meget, hvis der er så lidt stråling i PAR-området, at fotosyntesen ikke kan komme i gang.

Det er især et problem for de exoplaneter, som kredser om små og kolde røde stjerner, for her er så lille en del af strålingen inden for PAR-området, at det vil være meget vanskeligt at få skabt en biosfære. Langt det meste af de kolde stjernes stråling er nemlig langbølget infrarød stråling med for lidt energi til at skabe en biosfære.

Stjernen må ikke være for stor og varm

Varme stjerner har meget mere af den energirige stråling i PAR-området, som fotosyntesen har brug for, men stjernerne må bare ikke være for store og varme.

For det første udsender store stjerner så meget UV-stråling, at det er skadeligt for biologien (bare tænk på solskoldning), og for det andet lever de så kort tid, at det er tvivlsomt, om komplekst liv overhovedet kan nå at opstå og udvikle sig.

Det snævrer jo området ind, men Solen er heldigvis stadig med, selv om den er ret stor, og med sin temperatur på 5.800 grader befinder sig i den varme ende.

Solens levetid er dog lige kort nok, for om under en milliard år har Solens udstråling ændret sig så meget, at havene koger væk, og temperaturen på Jorden stiger til over 300 grader.

Beregninger viser, at hvis vi går ned til stjerner med den halve temperatur af Solen, altså 2.900 grader, så er PAR lige præcis stor nok til en beskeden fotosyntese, men slet ikke nok til det rige liv, vi kender.

De fleste stjerne i universet er for små og kolde

Måske ligger optimum ved stjerner, som med en temperatur på omkring 4.000 grader er lidt mindre og koldere end Solen, og som har en levetid flere milliarder år længere end Solens levetid.

I fagsproget kaldes sådanne stjerner for spektraltype K, hvor vores lidt større og varmere sol er af spektraltype G.

Så er det bare ærgerligt, at hovedparten af alle universets stjerner er så små og kolde, at det ikke er muligt at opfylde PAR-kravet. Det er stjerner af spektraltype M, som udgør over 80 procent af Mælkevejens stjerner.

De italienske forskere, som har udført beregningerne, har blandt alle de mange exoplaneter kun fundet én, som lever op til kravet om PAR-værdien. Det er Kepler 442b, en klippeplanet med det dobbelte af Jordens masse, som kredser om den moderat varme stjerne Kepler 442 1.200 lysår borte.

Vores solsystem synes at være usædvanlig stort, men alligevel er det en sjældenhed at finde et så lille og kompakt planetsystem som Trappist-systemet, bare 40 lysår borte. Her kredser ikke mindre end syv planeter omkring en lille rød dværgstjerne i et miniature-solsystem. Hvis det blev flyttet til vores solsystem, ville alle syv planeter befinde sig et godt stykke inde for Merkurs bane. Men hvis de Italienske forskere har ret, så opfylder den meget lille og kolde stjerne ikke PAR-kravet om at udsende tilpas stråling af en type, som kan anvendes til fotosyntese – og så hjælper det ikke så meget, at nogle af planeterne har en tilpas temperatur. (Illustration: NASA/JPL-Caltech)

Er vores solsystem enestående? Vi mangler viden

Spørgsmålet om, hvorvidt vores solsystem er enestående, er en af den type mysterier, hvor forklaringen sandsynligvis skal søges i mangelfulde data.

Det helt store problem er nemlig, at det er meget lettere at observere små planetsystemer, hvor planeterne alle er tæt på deres stjerne og tæt på hinanden, end store planetsystemer, hvor der kan være milliarder af kilometer mellem planeterne.

Forklaringen hænger sammen med den måde, vi observerer exoplaneter, men den er for omfattende til at kunne gives her.

Så der kan sagtens eksistere langt flere planetsystemer, som ligner vores solsystem, end vi antager i dag. Det eneste, vi nu ved med sikkerhed, er, at der findes mange forskellige typer af planetsystemer, og at vores solsystem måske ikke engang er den mest almindelige type.

Med hensyn til ensomhed, så er spørgsmålet også, hvor krævende livet er. Hvis det kun kan trives på planeter, der helt ligner Jorden, og hvor stjerne har en PAR-værdi, der helt svarer til Solen, ja, så kan vi godt være ensomme.

Men mon ikke livet viser sig at kunne tilpasse sig mange forskellige typer planetsystemer og stjerner med PAR-værdier, som afviger fra Solen?

Man har da lov at håbe, men der kan godt gå lang tid, før vi har et svar.

Det er dog vigtigt at få svar på netop dette spørgsmål, for over 80 procent af alle stjerner er de kolde M-stjerner, som ifølge teorien ikke opfylder PAR-kravet om at udsende tilstrækkelig meget energirig stråling til at opretholde en fotosyntese.