Studien av extrasolära planeter har verkligen exploderat under de senaste åren. För närvarande har astronomer kunnat bekräfta förekomsten av 4 104 planeter bortom vårt solsystem, med ytterligare 4900 som väntar på bekräftelse. Studien av dessa många planeter har avslöjat saker om utbudet av möjliga planeter i vårt universum och lärt oss att det finns många för vilka det inte finns några analoger i vårt solsystem.
Tack vare till exempel nya data som erhållits av Hubble rymdteleskophar astronomer lärt sig mer om en ny klass av exoplanet känd som ”super-puff” planeter. Planeter i denna klass är i huvudsak unga gasjättar som är jämförbara i storlek med Jupiter men har massor som bara är några gånger större än jorden. Detta resulterar i att atmosfären har tätheten av bomullsgodis, därmed det underbara smeknamnet!
De enda kända exemplen på denna planet finns i Kepler 51-systemet, en ung solliknande stjärna som ligger ungefär 2.615 ljusår bort i Cygnus-konstellationen. Inom detta system har tre exoplaneter bekräftats (Kepler-51 b, c och d) som först upptäcktes av Kepler rymdteleskop år 2012. Det var emellertid först för 2014 att dessa planeter täthet bekräftades, och det blev helt överraskande.
Medan dessa gasjättar har atmosfärer som består av väte och helium och har ungefär samma storlek som Jupiter, är de också cirka hundra gånger lättare med avseende på massa. Hur och varför deras atmosfärer skulle ballongera det som de gör förblir ett mysterium, men det faktum kvarstår att naturen hos deras atmosfärer gör superpuffplaneter till en främsta kandidat för atmosfärisk analys.
Det är precis vad ett internationellt team av astronomer - under ledning av Jessica Libby-Roberts från Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) vid University of Colorado, Boulder - försökte göra. Med data från Hubble, Libby-Roberts och hennes team analyserade spektra erhållna från atmosfären i Kepler-51 b och d för att se vilka komponenter (inklusive vatten) som fanns där.
När dessa planeter passerade framför sin stjärna undersöktes ljus som absorberades av deras atmosfärer i den infraröda våglängden. Till teamets överraskning fann de att spektrat för båda planeterna inte hade några kemiska signaturer. Detta tillskrev de närvaron av moln av saltkristaller eller fotokemiska dis i deras atmosfärer.
Som sådant förlitade teamet sig på datorsimuleringar och andra verktyg för att teoretisera att Kepler-51-planeterna mestadels är väte och helium i massa, vilket är täckt av en tjock dis som består av metan. Detta liknar det som händer i Titans atmosfär (Saturnus största måne), där den övervägande kväveatmosfären innehåller moln av metangas som döljer ytan.
"Detta var helt oväntat," sade Libby-Roberts. ”Vi hade planerat att observera stora vattenabsorptionsfunktioner, men de var bara inte där. Vi blev försvårade! ” Dessa moln gav emellertid teamet värdefull insikt i hur Kepler-51 b och d jämför med andra lågmassa, gasrika exoplaneter observerade av astronomer. Som Libby-Roberts förklarade i ett pressmeddelande från CU Boulder:
”Vi visste att de var låg densitet. Men när du ser på en jupiterboll av godis i jupiter - det är verkligen låg täthet ... Det skickade definitivt oss för att komma på vad som skulle kunna hända här. Vi förväntade oss att hitta vatten, men vi kunde inte observera signaturerna på någon molekyl. "
Teamet kunde också begränsa storleken och massan på dessa planeter genom att mäta deras tidseffekter. I alla system inträffar små förändringar under planetens omloppsperiod på grund av deras gravitation, som kan användas för att härleda en planet. Teamets resultat överensstämde med tidigare uppskattningar för Kepler-51 b medan uppskattningarna för Kepler-51 d indikerade att det är något mindre massivt (aka. Puffier) än tidigare trott.
Teamet jämförde också spektra för de två superpuffarna med de från andra planeter och erhöll resultat som indikerade att moln / disformning är kopplad till temperaturen på en planet. Detta stöder hypotesen att ju coolare en planet är, desto molnigare blir den, vilket astronomer har funderat över tack vare den senaste tidens upplevelse av exoplanet.
Sist men inte minst observerade teamet att både Kepler-51 b och d verkar förlora gas snabbt. I själva verket uppskattar teamet att den tidigare planeten (som är närmast sin moderstjärna) dumpar tiotals miljarder ton material i rymden varje sekund. Om denna trend fortsätter kommer planeterna att krympa avsevärt under de kommande miljarder åren och kan bli mini-Neptunes.
I detta avseende skulle detta antyda att exoplaneterna inte är så ovanliga trots allt, vilket gör att mini-Neptunerna verkar vara mycket vanliga. Det antyder också att de låga tätheterna för superpuffplaneterna tillskrivs systemets ålder. Medan solsystemet är ungefär 4,6 miljarder år gammalt har Kepler-51 funnits i bara 500 miljoner år.
De planetmodeller som används av teamet indikerar att planeterna som troligen bildades utanför Kepler-51s Frost Line - gränsen utanför vilka flyktiga element kommer att frysa - och sedan migrerade inåt. I stället för att vara udda planeter kan Kepler-51 b och d vara de första exemplen som astronomer har sett på en av de vanligaste typerna av planeter i vårt universum i de tidiga utvecklingsstadierna.
Som Zach Berta-Thompson (en biträdande APS-professor och en medförfattare till den nya forskningen) förklarade gör detta Kepler-51 till ett "unikt laboratorium" för att testa teorier om tidig planetutveckling:
”Detta är ett extremt exempel på vad som är så coolt med exoplaneter i allmänhet. De ger oss en möjlighet att studera världar som är mycket annorlunda än våra, men de placerar också planeterna i vårt eget solsystem i ett större sammanhang. ”
I framtiden kommer installationen av nästa generations instrument som James Webb rymdteleskop (JWST) kommer att hjälpa astronomer att undersöka atmosfären på Kepler-51-planeterna och andra superpuffar. Tack vare JWSTs känslighet för längre infraröda våglängder kan vi kanske titta igenom deras täta moln ännu och bestämma vad dessa ”bomullsgodis” -planeter faktiskt består av.
Det är också en annan fjäder i locket till den vördade Hubble, som har varit i kontinuerlig drift i ungefär trettio år nu (sedan maj 1990) och fortsätter att belysa kosmiska mysterier! Det är bara lämpligt att det fortfarande gör fynd som mycket snart kommer att bli föremål för uppföljningsundersökningar av James Webb, dess andliga efterträdare.
Studien som beskriver teamets forskning har nyligen dykt upp online och kommer att visas i The Astrophysical Journal.
