Exoplaneter gør os klogere på, om Solsystemet har en dobbeltgænger

Artiklen er en fortsættelse af artiklen om exoplaneter, og hvordan de blev opdaget.

En figur fremlagt på en konference i juni 2017 (se nedenfor) viser en opdeling af exoplaneter i fem typer, der giver den hidtil bedste oversigt over vor nuværende viden.

De fem typer exoplaneter er:

• Hot Jupiters
• Kolde gasplaneter
• Planeter dækket af hav eller is
• Klippeplaneter
• Planeter dækket af lava

I vort solsystem har vi kun to af disse typer, nemlig kolde gasplaneter som Jupiter og klippeplaneter som Jorden. De ekstremt varme 'Hot Jupiters' samt lavaplaneter har vi ikke i vort solsystem.

Disse fem typer er indtegnet i et koordinatsystem, hvor den vandrette akse er planetens omløbstid i døgn og den lodrette akse planetens størrelse i forhold til Jorden. Bemærk de logaritmiske skalaer.

Er vores solsystem usædvanligt?

To ting er meget tydelige:

Langt de fleste opdagelser er sket ved formørkelsesmetoden, og langt de fleste planeter har meget korte omløbstider om deres stjerne.

Ser vi på statistikken, er cirka 78 procent af planeterne opdaget ved formørkelsesmetoden – og det skyldes især Kepler. Radialhastighedsmålinger, som førte til opdagelsen af de første exoplaneter, bidrager kun med cirka 18 procent.

Det forholdsvis lave antal hænger sammen med, at de spektroskoper, som HIRES, man bruger til radialhastighedsmålinger, både er meget kostbare og kræver store teleskoper.

Det store flertal af planeter har omløbstider på under 100 døgn, eller godt tre måneder. I vort solsystem er der kun en planet med en omløbstid på under 100 døgn, nemlig Merkur.

Spørgsmålet er nu, om det er vores solsystem, som er usædvanligt, eller om forklaringen skal søges i den måde, data til figuren er indsamlet.

Vi opdager kun en brøkdel langsomme planeter

Den mest sandsynlige forklaring er, at begge forhold har betydning.

Det er blevet klart, at vi ikke kan tage vort solsystem som model for de mange systemer af exoplaneter. Der er en diversitet i opbygningen af planetsystemer, som man slet ikke havde ventet. Især er der fundet mange planetsystemer, hvor planeterne er pakket meget tættere sammen, end de er i vort solsystem.

Men de fleste astronomer mener også, at det sandsynligvis ikke er korrekt, at korte omløbstider dominerer så meget, som figuren viser. Figuren viser de planeter, vi har fundet, og fordelingen af omløbstider kan forklares ved, at det er lettere at observere planeter med korte omløbstider på højst et par måneder end planeter, der har omløbstider på et år eller mere.

En kort omløbstid betyder hyppige formørkelser, og det gør det lettere at indsamle de minimum tre målinger, som er nødvendige for at måle omløbstiden. En planet med kort omløbstid bevæger sig desuden hurtigt, og det betyder, at den kan påvirke stjernen så meget, at det bliver forholdsvis let at måle de svingninger i stjernens radialhastighed, som skyldes planetens tyngdekraft.

Derfor har vi næsten helt sikkert kun fundet en meget lille brøkdel af de planeter, der har omløbstider på flere år.

Kan man overhovedet sammenligne?

Man skal desuden passe på med helt direkte at bruge omløbstider til at sammenligne med vort solsystem.

En direkte sammenligning kan kun foretages, hvis planeterne kredser om stjerner med omtrent samme masse som Solen.

Kredser planeterne om små røde dværgstjerner med masser langt mindre end Solen, er det nødvendigt med en udregning for at finde afstanden til stjernen ud fra omløbstiden.

Men Kepler har netop ledt efter exoplaneter blandt stjerner, der ligner Solen, så derfor er det ofte meget let at foretage en direkte sammenligning med vort solsystem.

Planeterne med de korteste omløbstider fra cirka 1 til 10 døgn er meget tæt på deres stjerne og derfor meget varme. Her finder vi både Hot Jupiters og Lavaplaneter:

• Lavaplaneter er typisk på størrelse med Jorden, men så varme, at store dele af overfladen er dækket er dækket af lava. Som man kan se, har Kepler fundet flere planeter, der passer med denne beskrivelse.
• Både Hot Jupiters og Lavaplaneter vender sandsynligvis altid den samme side mod deres stjerne – de har bunden rotation.

Højere oppe i diagrammet finder vi planeter dækket af hav eller is. Den typiske størrelse er herfra noget større end Jorden og op til omkring fire gange Jordens radius, hvilket så nogenlunde svarer til størrelsen af Neptun i vort solsystem.

To planet-typer, som ikke findes i Solsystemet

Målingerne viser, at vi i dette område finder planeter af to typer, nemlig superjorde og 'Mini-Neptun' planeter, med omtrent lige mange planeter af hver type.

Superjorde er ligesom Jorden planeter af klippe og metal, men bare noget større. De største super-jorde er omkring 1,75 gange større end Jorden og har masser op til omkring 6 gange jordens masse.

'Mini-Neptun' planeter er 2 til 4 gange større end Jorden, og de har en tæt atmosfære af brint og helium, men også store mængder vand, som kan dække overfladen med enten oceaner eller is, afhængig af temperaturen. I deres opbygning minder de mere om Neptun end om Jorden.

De to typer af planeter findes ikke i vort solsystem, men er åbenbart ganske almindelige i andre planetsystemer.

Små, langsomme planeter venter på at blive udforsket

Endelig kan man se, at vi er begyndt at finde store gasplaneter af Jupiterstørrelse med omløbstider på flere år, men at der næsten ikke er fundet mindre planeter med så lange omløbstider, og det fører os ned til området Frontier, som er det område af diagrammet, der vil blive udforsket i de kommende år.

I Frontier området finder vi mindre planeter af Jordens størrelse og derunder med lange omløbstider, og dermed ret store afstande fra deres stjerner.

Bemærk, at vor egen Jord ligger i dette område – og det er sandsynligvis grunden til, at der endnu ikke er fundet en planet, som helt ligner Jorden.

Et vigtigt eksempel: Stjernesystemet Alfa Centauri

Med det store antal exoplaneter, der nu kendes, er det umuligt at beskrive hver enkelt. Det bedste er at henvise til en hjemmeside som NASA's der konstant opdateres. Vi vil her indskrænke os til et par vigtige eksempler.

De fleste exoplaneter befinder sig meget langt borte, men nu er man begyndt at blive interesseret i Solens nærmeste nabo, det tredobbelte stjernesystem Alfa Centauri, kun 4,37 lysår borte.

Det skyldes dels, at der er fundet en muligvis beboelig exoplanet om en af de tre stjerner, og dels, at der er fremsat seriøse planer om, hvordan vi måske en dag kan sende en rumsonde til Alfa Centauri systemet.

Beregn, om stjernen har plads til et solsystem

Alfa Centauri A og B kredser om hinanden med en omløbstid på 80 år i en elliptisk bane med e = 0,52, mens Proxima Centauri kredser om de to andre i en meget fjern bane med en omløbstid på 550.000 år.

Ser vi på A og B, kan vi beregne den halve storakse a i banen ved at bruge Newtons udgave af Keplers 3. lov:

• M_A + M_B = a³ / T²

Ved at indsætte tallene M_A + M_B = 2 M₀ og T = 80 år får vi a = 23,4 AE.

Den største afstand mellem stjernerne er givet ved

• r_a = a ⋅ (1+e) = 23,4 AE ⋅ 1,52 = 35,6 AE
• r_a = a ∙ (1+e) = 23,4 AE ∙ 1,52 = 35,6 AE

mens den mindste afstand bliver

• r_p = a ∙ (1-e) = 23,4 AE ∙ 0,48 = 11,2 AE

Den indbyrdes afstand mellem de to stjerner varierer altså fra, hvad der i vores solsystem stort set svarer til afstanden fra Solen til Saturn og afstanden fra Solen til Pluto.

Det betyder, at A og B aldrig kommer helt tæt på hinanden, og det giver plads til et lille solsystem omkring hver af dem, måske noget, der svarer til den indre del af vort solsystem med Merkur, Venus, Jorden og Mars. Men hvis man er interesseret i beboelige planeter, er det jo også tilstrækkeligt.

• Alfa Centauri A er en gul dværg af næsten samme type som Solen, dog lidt større og mere lysstærk.
• Alfa Centauri B er en orange dværg, lidt mindre og koldere end Solen.

Proxima Centauri har fået navnet, fordi den er den nærmeste stjerne til Solen. Det er en lille rød dværg, som først blev opdaget i 1915, fordi den er så lyssvag, at den her fra Jorden kun kan ses i en forholdsvis stor kikkert.

Den lysstyrke, vi har opgivet, er den såkaldt bolometriske eller totale lysstyrke. Men da stjernen kun er godt 3.000°C varm, udsender den det meste af sin stråling som infrarødt lys. Måler vi alene lysstyrken i det synlige område, lyser den kun 0,00005 gange så stærkt som Solen.

Helt nye observationer har vist, at Proxima Centauri har en omløbstid på 550.000 år om A og B stjernerne, og at banen er så aflang, at afstanden til A og B varierer mellem godt 4.000 og 13.000 AE. For tiden er afstanden godt 13.000 AE, så den er tæt på sit fjerneste punkt i banen.

Proxima er en såkaldt Flare-stjerne, med hyppige og voldsomme udbrud fra overfladen – hvilket kan give problemer for planeter.

Kan der være liv på Proxima Centrauris nyfundne planet?

I august 2016 annoncerede ESO, at observatoriet i Chile havde fundet en planet omkring Proxima Centauri. Planeten er fundet ved hjælp af radialhastighedsmetoden, og man har følgende data for Proxima b, som planeten nu bliver kaldt:

• Mindste masse: 1,27 M_jord
• Omløbstid: 11,2 døgn
• Halve storakse i banen: 0,05 AE

Planetens afstand på bare 7,5 millioner km fra Proxima betyder, at den befinder sig inden for den beboelige zone. Bruger vi formlen herunder og sætter Proximas lysstyrke til:

• L = k ∙ L₀ = 0.0017 L₀

får vi, at den beboelige zone befinder sig mellem 0,04 og 0,057 AE fra stjernen.

Men som det også nævnes, er der i denne formel ikke taget hensyn til albedo, atmosfære og drivhuseffekt. Især en stærk drivhuseffekt kan rykke den beboelige zone udad, så derfor er det bedste gæt, at den beboelige zone nok befinder mellem 0,04 og 0,08 AE fra Proxima.

Så Proxima b befinder sig i zonen, men når man ser på forskellen mellem Venus og Jorden, skal man nok være meget varsom med at angive en temperatur. Det forhindrer dog ikke, at optimisterne håber på et klima som Jordens.

Der er dog det problem, at Proxima b på grund af sin ringe afstand til stjernen ret sikkert har bunden rotation, hvilket betyder, at den altid vender samme side mod stjernen. Det vil give en varm dagside og en kold natside, selv om en tæt atmosfære kan udjævne forskellen en smule.

Proxima b modtager omkring 65 procent af den stråling, Jorden modtager, men langt det meste er usynlig infrarød stråling. Af synligt lys modtager den kun 2 procent i forhold til Jorden, så der vil altid være lidt halvmørkt på planeten. Til gengæld får Proxima b 400 gange så meget røntgenstråling, som Jorden gør, ikke mindst fra de hyppige udbrud.

Spørgsmålet er, om liv kan tilpasse sig disse forhold.

Én af astronomiens helt store gåder

Boyajians stjerne – som også kaldes for Tabbys stjerne – er en af astronomiens helt store gåder. Vi har anbragt den her under exoplaneter, men det kan godt være, at den hører hjemme et andet sted.

Stjernen er opkaldt efter astronomen Tabetha S. Boyajian (1980- ). Hun er amerikaner, og var med til at analysere data fra Kepler satellitten. Her fandt hun sammen med flere andre frem til data fra stjernen KIC 8462852. Det er en ellers normal stjerne af spektraltype F i stjernebilledet Svanen. Den befinder sig omkring 1.300 lysår borte, og kan derfor bestemt ikke kaldes for en nær nabo til Solen.

Efter at have set den højst usædvanlige lyskurve for planeten, blev Boyajian hovedforfatter på artiklen 'Where’s the Flux?' eller frit oversat 'Hvor blev lyset af?' – og herefter er debatten gået livligt.

Normalt er det meget lidt, en exoplanet kan skygge for en stjerne. Selv en stor planet som Jupiter kan højst svække lyset fra Solen med én procent, og i de fleste tilfælde er svækkelsen ved en formørkelse nede på langt under en promille. Men Boyajians stjerne bliver med mellemrum formørket på en helt anden måde.

Boyajians stjerne opførte sig mærkeligt

Det begyndte med en formørkelse i 2009, hvor lyset blev svækket med én procent, hvad der godt kunne svare til, at en planet af Jupiters størrelse passerede hen foran stjernen. Formørkelsen varede godt en uge, men lyskurven var ikke symmetrisk, som man ville forvente, hvis formørkelsen var skabt af en planet.

Så gik der to år, og i marts 2011 aftog lysstyrken i en uge med hele 15 procent. Det er alt for meget til, at det kan forklares med, at en planet har skygget for stjernen. Igen gik der to år og nu begyndte stjernens lysstyrke igen at variere.

Der var mange dyk i lyskurven, nogle varer kun en eller to dage, og andre op til en uge. Det skete over en periode på 100 dage, og i denne periode var det største tab af lysstyrke hele 22 procent.

Men det er ikke det hele. De lysmålinger, Kepler har foretaget over en 4-årig periode, viser, at stjernens lysstyrke målt over dette lange tidsrum heller ikke er helt konstant.

Der har været et fald i lysstyrken først på 0,34 procent om året, og så et hurtigere fald i lysstyrken på 2,5 procent i en periode på 200 dage, inden stjernen igen vendte tilbage til det oprindelige langsomme fald i lysstyrken.

En normal F-hovedseriestjerne burde have en konstant lysstyrke, og astronomerne står tilbage uden en god forklaring.

Stjernenyhed avlede fantasifulde forklaringer

Så skete der det, som vi nok kommer til at opleve stadig mere hyppigt her i det 21. århundrede. Nyheden gik viralt, og alverdens mere eller mindre fantasifulde teorier dukkede op på nettet.

En af de mere fantasifulde er, at der bor en meget avanceret civilisation på en planet omkring stjernen, og de har så fået den ide at bygge en såkaldt Dyson-sfære omkring deres stjerne.

En Dyson-sfære er en enorm konstruktion, hvor man stort set tager alle planeter i sit solsystem og bruger materialet fra dem til at bygge en sværm af små kunstige kloder, der kan udnytte sollyset langt bedre end de få store planeter. Om ikke andet, så kan en Dysonsfære forklare den store svækkelse af stjernens lys.

Her er det så, at det er nødvendigt at se på det princip, der hedder Ockhams Ragekniv efter den engelske filosof William af Ockham (1288-1347). Princippet kan formuleres på flere måder:

• Den ene version siger, at hvis der er to eller flere forklaringer på et fænomen, så er den simpleste at foretrække.
• En anden version siger, meget løst formuleret, at man i en forklaring ikke skal indføre flere antagelser end nødvendigt. Princippet er grundlæggende for videnskaben, og det har til dato vist sig at være en god rettesnor, når der skal skabes nye teorier.

Forklaringer på mysteriet er modstridende

Teorien om, at formørkelserne skyldes bygningen af en Dysonsfære, strider mod Ockhams Ragekniv.

Dysonsfæren indfører ekstra antagelser: Vi ved ikke, om der findes andre intelligensvæsener, og slet ikke om de findes på en planet omkring Boyajians stjerne. Vi ved heller ikke, om de har vilje, evne eller hensigt til at nedbryde et helt solsystem for at bygge en Dysonsfære.

Derfor er forklaringen unødigt kompliceret og bygger på alt for mange antagelser - eller forhåbninger.

Derfor kan teorien jo godt være sand, men videnskabeligt skal vi slet ikke gå så langt, før vi er helt sikre på, at der ikke findes en mere simpel, naturlig forklaring.

Alligevel blev teorien så omtalt, at SETI instituttet i Californien har lyttet efter radiosignaler fra stjernen – dog uden at finde noget. Desuden vil en Dysonsfære udsende en enorm energi i form af infrarød varmestråling, og det er heller ikke fundet.

Forklaringen må findes i en sværm af legemer

Men tilbage står, at vi stadig ikke har en god naturlig forklaring.

De mere seriøse teorier har dog en ting tilfælles med Dyson-sfæren: De meget dybe formørkelser kan ikke skyldes et enkelt legeme. Der må være tale om, at Boyajians stjerne med mellemrum bliver formørket af en stor sværm af legemer.

Det kan være en sværm af kometer, eller måske har stjernen tidligere opslugt en stor planet. Rester af planeten kan være efterladt i bane om planeten og skaber disse meget mærkelige formørkelser.

Mysteriet er endnu uopklaret

I maj 2017 opdagede Tabetha Boyajian, at en ny formørkelse var undervejs. Hun slog straks alarm i en e-mail med teksten:

»This message is to notify You that recent observations 'may' indicate that KIC 8462852 is in an anomalous state. Please read the message below for details…«

Den mail fik i den grad astronomerne til at reagere. Et dusin store observatorier, deriblandt Keck på Hawaii med deres 10 meter teleskoper, gik straks i gang med at observere. I nogle tilfælde afbrød astronomerne deres programmer for at kunne observere formørkelsen.

Det skulle vise sig, at der i juni og juli kom ikke bare en, men hele to formørkelser, hvor stjernens lys blev svækket med omkring 2 procent. De to formørkelser har ikke løst gåden, men som man kan se, er KIC 8462852 nu et meget varmt emne inden for astronomien.

Der er også fremsat en ny teori, som helt sikkert vil blive efterprøvet de kommende år: De mærkelige formørkelser skyldes slet ikke noget, der kredser om stjernen, men at stjernen selv – helt usædvanligt – kan ændre sin lysstyrke, fordi strålingen fra det indre på en eller anden måde blokeres i stjernens atmosfære måske som følge af stærke magnetfelter.

Men teorien har den store svaghed, at vi ikke kender andre stjerner, der opfører sig på den måde.

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