En konstnärsbild av en exoplanet med en utbuktande atmosfär.
(Bild: © NASA)
Det visar sig att exoplaneter kan vara lika söta som en resa till statsmässan: Två världar upptäckta av NASA: s Kepler Space Telescope har ungefär samma täthet som ett paket med bomullsgodis. De två planeterna, som kretsar kring en ung stjärna endast cirka 500 miljoner år gamla, är nyfödda världar nästan lika breda som gasjättar, även om de väger in mindre än tio gånger jordens massa.
Med hjälp av NASA: s Hubble Space Telescope gjorde forskare uppföljningsobservationer av de två "läckra" världarna, kända som Kepler-51b och Kepler-51d. De fann att världens uppblåsta atmosfärer troligen innehöll en dis som sträcker sig högt över ytan. Världens utvidgade atmosfärer placerade dem i en sällsynt klass exoplaneter, superpuffarna.
"Dessa är exoplaneter med lägsta täthet hittills," sade Jessica Roberts förra månaden. Hon presenterade de preliminära resultaten under det 232: e halvårliga mötet i American Astronomical Society i Denver. En forskarstuderande vid University of Colorado, Boulder, Roberts hjälpte till med att göra en jordliknande jämförelse för planeterna. Hon hittade en ovanlig analog för superpuffarna - en söt godbit. [De mest spännande främmande planetupptäckterna 2017]
"Jag vill att du ska tänka dig jätteplaneter av bomullsgodis," sa hon.
"Riktigt fluffiga titaner"
2011 upptäckte Kepler en värld med låg densitet som kretsade kring den unga stjärnan Kepler 51; senare studier bekräftade att planeten hade två syskon. Alla tre planeterna har en utbuktande atmosfär, och de första observationerna antydde deras låga täthet.
Superpuffarna fångade uppmärksamheten från Roberts doktorandrådgivare vid Boulder, Zachory Berta-Thompson, som misstänkte att de uppblåsta atmosfärerna skulle vara lättare att studera än de mer bosatta atmosfärerna runt andra världar. Tillsammans med flera kollegor använde forskarna Hubble för att undersöka kemi i atmosfärerna 51b och 51d när paret passerade två gånger mellan deras stjärna och jorden. Den tredje världen, 51c, klippte bara ut kanten av systemets sol, höll atmosfären dold, och var därför inte en del av den nya studien.
Forskarna fann att båda planeterna producerade en signal som tyder på att små partiklar som kallas aerosoler dominerade atmosfären. Dessa aerosoler kan skapas av massiva molnbanker, eller de kan vara tecknet på en planetomkretsande dis.
"Vår bästa gissning är att vi inte har att göra med någon typ av molnkondensation," sade Roberts. "Vad vi troligtvis har att göra med är någon typ av fotokemisk dis som vi bara inte vet vad den är gjord av."
I solsystemet är Saturns största måne, Titan, den enda som domineras av ett disskikt av kolväten, troligen metan och etan. Den massiva månen kan ge insikt i superpuffarna, som kan bära en utökad version av diset.
"Vi kanske tittar på några riktigt fluffiga titaner," sade Roberts. [Twilight Haze Shines Over Saturns Big Moon Titan i underbara Cassini-foto]
Planeter av bomullsgodis
Att beräkna en planets täthet kräver en återgång till gymnasiets fysik. Ett objekts täthet är dess massa dividerat med dess volym; volymen bestäms av dess radie. Hubbles exakta mätningar hjälpte forskarna att bättre begränsa massan på exoplaneterna. För att hitta deras radie - och därmed deras volym - jämför forskare planetens storlek med dess stjärna. Genom att gå igenom vad som var känt om stjärnan kunde Roberts och hennes kollegor fastställa en mer exakt radie.
Kepler-51b har en massa som är ungefär dubbelt så stor som jorden och en radie ungefär sju gånger större, och den kretsar runt sin stjärna var 45: e dag. Med sin 130-dagars omloppsbana är Kepler-51d lite större, ungefär 7,5 gånger så massiv som jorden med en radie nästan tio gånger den på vår planet. Den tredje syskon, Kepler-51c, tar 85 dagar att resa runt stjärnan och har ungefär fyra gånger jordens radie.
Genom att kombinera den uppdaterade massan med den reviderade radien kunde forskarna beräkna att planeternas täthet varierade från 0,03 gram till 0,06 gram per kubikcentimeter. Det är en tiondel så tät som Saturnus, solsystemets minst täta planet, och en som skulle flyta i vatten om du kunde hitta ett badkar tillräckligt stort.
Att ta reda på vad det skulle betyda i verkliga termer skulle ta lite mer arbete, men Roberts var fast besluten.
Hennes första tanke var marshmallows. Hon smälte ett parti i mikrovågsugnen men tyckte att de vita godbitarna fortfarande var för täta.
"Det var bara en hemsk röra," sa hon till Space.com.
För sina avdrag från bomullsgodis gick hon till en mataffär och köpte behållare med bomullsgodis. Det nyspunna materialet var inte tillräckligt tätt, men hon hoppades att förpackade badkar kan fungera. Hon mätte volymen på behållaren och vägde materialet för att beräkna dess densitet, vilket var en nära matchning för superpuffarna.
"Jag köpte så många av dessa badkar, [kassören] var som, du måste vara en fläkt för bomullsgodis," sade Roberts.
"Jag var som, det är för vetenskap."
Unga planeter
Varför är dessa världar så täta? Roberts tror att deras ungdomar kan spela en nyckelroll. Planeter formas som damm och stenar kolliderar för att bygga en värld. När den steniga kärnan är tillräckligt massiv drar dens gravitation lättare gas för att skapa en atmosfär.
Enligt modeller bildades de tre superpuffarna utanför snölinjen i deras system, den osynliga gränsen runt centrala stjärnor där gasen är tillräckligt kallt för att kondensera till is. Planeterna migrerade sedan inåt och nådde sina nuvarande banor. När de närmade sig den varma stjärnan smälte deras is och skapade en gasformig atmosfär som börjar bula.
Medan planeter startar varma från kollisionerna som bildade dem, svalnar de med tiden och orsakar en sammandragning av material. Samtidigt släpper stjärnvinden av en del av sin atmosfär. Enligt Roberts tyder modeller på att de närmaste 5 miljarder åren, när den är lite äldre än jorden är i dag, kommer 51b att se mer ut som en typisk Neptunus planet. Eftersom det är längre bort från stjärnan, sa hon att "51d kommer sannolikt att vara lite av en udda boll, eftersom den inte har så mycket av sin atmosfär avskalad."
"Om några miljarder år ser vi dessa planeter mindre än de är nu," sade Roberts.
Om du kunde stå på en av superpuffarna (förutsatt att den har en stenig yta), skulle atmosfärtrycket antagligen vara krossligt högt, sade Roberts. Du skulle ha bättre att flyta runt högre i atmosfären där trycket skulle vara lägre, tillade hon.
Tidigt i sin livstid skröt jorden antagligen sin egen uppblåsta atmosfär, sa hon, även om den förmodligen förlorade den mycket snabbt.
Forskarna planerar att lämna in sin forskning för publicering senare i sommar.
Nu behöver vi bara de söta världarna för att sporta bomullsgodisfärger, som blå, rosa, lila eller grön!
