Weltraumteleskop Kepler

Ein Passel neuer Planeten zeigt, dass unser Sonnensystem sehr seltsam ist, und wir wissen nicht warum

2024

Gut, das sind wirklich sehr coole Neuigkeiten : Astronomen haben einen neuen Katalog von Exoplaneten veröffentlicht – außerirdische Planeten, die andere Sterne umkreisen – die von der Raumsonde Kepler entdeckt wurden, und die Gesamtzahl beträgt jetzt 2335 verifizierte Planeten, 1700 weitere warten darauf, bestätigt zu werden. Von diesen, 30 bestätigt, dass sie ungefähr erdgroß sind und in den bewohnbaren Zonen ihrer Sterne kreisen, wobei 20 weitere auf ihre Bestätigung warten!

Das ist tolle . Die neuen Ergebnisse fügen 219 neue Exoplaneten-Kandidaten hinzu, von denen 10 erdähnlich sind.

Nun, das sind die auffälligen Neuigkeiten (die ich gleich erklären werde). Aber die interessantere wissenschaftliche Nachricht ist, dass sie einen deutlichen Mangel an Planeten in einem Größenbereich zwischen dem 1,5- und 2,5-fachen des Erddurchmessers fanden. Sterne scheinen es zu lieben, Planeten bis zu dieser Größe zu machen, und dann auf etwa das 2,5-fache unserer Größe zu springen. Wieso den? Und warum sehen wir solche Planeten nicht in unser Sonnensystem?

Okay, bevor ich dazu komme, lasst uns die ganze Sache mit dem Aufholen-was-ist-was-Ding machen.

Kepler ist ein weltraumgestütztes Observatorium, das entworfen wurde, um einen Punkt am Himmel mit etwa 150.000 Sternen zu beobachten. Die Idee ist, dass, wenn ein Stern Planeten hat und die Umlaufbahn des Planeten von der Erde aus gesehen wird, wir jedes Mal, wenn der Planet direkt vor dem Stern vorbeizieht, einen Rückgang der Helligkeit des Sterns sehen. Es ist wie eine Mini-Finsternis, genannt a Transit .

Ich erkläre das alles in die Exoplaneten-Episode von Crash Course Astronomy :

Crashkurs Astronomie: Exoplaneten

Es braucht Zeit, um tatsächlich Planeten zu finden, denn man muss nicht nur warten, bis ein Planet durchquert, sondern auch, dass es passiert nochmal , und dann wieder a dritte Zeit. Ein Einbruch kann auf alle möglichen Probleme zurückzuführen sein, wie zum Beispiel Sternflecken (wie Sonnenflecken, aber auf anderen Sternen) oder andere Sterne im Sichtfeld, die die Helligkeitsergebnisse beeinflussen. Ein zweites Bad legt fest, was Macht das Jahr eines Exoplaneten sein (ein Einbruch, dann ein weiterer eine volle Umlaufbahn später), aber das wahre Vertrauen entsteht, wenn ein dritter nach dem zweiten mit einem konsistenten Timing gesehen wird (mit anderen Worten, eine weitere Exoplaneten-Umlaufzeit später). Dann können Sie sicher sein, einen Planeten gefunden zu haben.

Im Laufe der Zeit wurden Kataloge mit aktuellen Kepler-Daten veröffentlicht, und dies ist der achte Katalog dieser Art. Diese neue umfasst die ersten vier Jahre der Mission, und die Astronomen haben alle Daten vollständig neu verarbeitet, einschließlich der Verwendung neuer und ausgefeilterer Techniken, die in der Zeit seit der ersten solchen Veröffentlichung entwickelt wurden.

Wenn uns die Umlaufbahn des Planeten gegenübersteht, sehen wir keinen Transit. Wenn es grenzwertig ist, tun wir es. Kredit: Greg Loughlin

Es gibt zwei wichtige Aspekte der Daten. Einer ist die Periode zwischen den Einbrüchen, die Ihnen die Länge des Planetenjahres sowie seine Entfernung vom Stern angibt (Kepler ist nach Johannes Kepler benannt, einem Astronomen, der herausgefunden hat, dass die Umlaufzeit eines Planeten im Sonnensystem mathematisch mit seine Entfernung von der Sonne und die für einen Planeten verallgemeinert werden kann, der jeden Stern umkreist). Es sagt Ihnen auch ungefähr, wie heiß der Planet ist! Sie müssen die Entfernung sowie die Temperatur und Größe des Sterns kennen; Ein kühlerer Stern wie ein Roter Zwerg kann einen Planeten haben, der ihn näher umkreist, als Merkur die Sonne umkreist, und dennoch kühler als die Erde sein.

Der andere Aspekt ist der Anteil des blockierten Sternenlichts. Das sagt dir die Größe des Planeten, vorausgesetzt, du kennst die Größe des Sterns, was wir in den meisten Fällen von Beobachtungen mit dem Keck-Observatorium .

Bei der Durchsicht aller Daten fanden die Astronomen 219 neue mögliche Exoplaneten (vor der Bestätigung, dass sie als Kandidaten klassifiziert wurden). Von diesen sind 10 nicht nur ungefähr so groß wie die Erde, sondern kreisen auch in der richtigen Entfernung von ihrem Wirtsstern, um gemäßigt zu sein, in der von Astronomen so genannten bewohnbaren Zone. Es entspricht ungefähr dem Temperaturbereich, der benötigt wird, um flüssiges Wasser an seiner Oberfläche zu haben, wie wir es hier auf der guten alten Erde tun. Das ist nicht das Einzige, was das Leben braucht, um zu entstehen, aber es ist ein guter Anfang.

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Dieser neue Katalog bringt die Gesamtzahl der bekannten erdgroßen Planeten, die in der bewohnbaren Zone umkreisen, auf 30.

Das ist ein Grundstück . Ich weiß, es klingt nicht nach viel von 150.000 Sternen, aber bedenken Sie, dass nicht alle Planeten ihre Sterne von der Erde aus gesehen von der Kante aus umkreisen. Die meisten stehen schräg, so dass sie aus unserer Sicht ihre Sterne verfehlen und wir keinen Transit sehen. Statistisch vermissen wir mindestens 99% davon! Also wirklich in diesem Stück Himmel, das Kepler beobachtet, gibt es wahrscheinlich 3000 erdgroße Planeten in ihren bewohnbaren Zonen.

Aber warten Sie, es gibt noch mehr: Es gibt Hunderte von Milliarden von Sternen in der Galaxie. Naiv hochgerechnet bedeutet das, dass es in der Milchstraße Milliarden solcher Planeten gibt.

Milliarden .

Whoa.

Hineinzoomen

Kunstwerk, das einen erdähnlichen Planeten darstellt, der einen außerirdischen Stern umkreist. Wie viele dieser Planeten gibt es in der Milchstraße? Wahrscheinlich Milliarden. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

[Kunstwerk, das einen erdgroßen, sogar erdähnlichen Planeten zeigt, der einen außerirdischen Stern umkreist. Wie viele dieser Planeten gibt es in der Milchstraße? Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle]

Aber das bedeutet auch etwas anderes. Wenn Sie ein Objekt finden, ist es schwierig, viel über die Objektklasse zu wissen, zu der es gehört. Sie haben nur ein Beispiel! Wenn Sie im Dschungel eine seltsame Eidechse finden, ist das interessant, aber es zeigt Ihnen nur, dass es solche Echsen gibt. Gibt es größere? Kleiner? Wie viele sind es? Wie ernähren sie sich, wo leben sie, wie stehen sie zu anderen Eidechsen?

Genauso bei Planeten. Einen zu finden ist toll. Exoplaneten existieren! Das sind riesige Neuigkeiten.

Aber die Wissenschaft beginnt erst, wenn wir mehr finden. Viel mehr. Tausende mehr. Hier beginnt die exoplanetare Zoologie.

Und da sind wir jetzt. Mit Tausenden von Exoplaneten im Kepler-Katalog beginnen sich Trends zu zeigen. Viele der gefundenen Planeten sind Gasriesen wie Jupiter, einige sogar noch viel massereicher. Offensichtlich wurden viele Planeten von der Größe der Erde gefunden, und viele, die etwas kleiner als Neptun sind.

Dieser neue Katalog zeigt jedoch etwas sehr Seltsames : Die Astronomen fanden viele Planeten, die ungefähr die gleiche Größe wie die Erde haben, bis zu etwa dem 1,5-fachen unseres Durchmessers. Doch dann sinkt die Zahl plötzlich. Sobald man Planeten erreicht, die etwas größer als die doppelte Größe der Erde sind, nehmen die Zahlen wieder zu. Dies war in den älteren Daten zu sehen, aber jetzt sind die Daten vollständig genug, um zu zeigen, dass dies kein Fehler ist. Es ist statistisch signifikant; das ist echt.

Hineinzoomen

Ein Histogramm der Exoplanetengrößen: Die Anzahl der gefundenen Planeten (vertikale Achse) aufgetragen gegen die Größe des Planeten (horizontale Achse). Beachten Sie die Dioptrie zwischen 1 und 2 Erdmassen. Zum Vergleich wird das Kunstwerk von zwei Exoplaneten gezeigt. Bildnachweis: NASA/Ames/Caltech/Universität Hawaii (B. J. Fulton)

Das ist sehr interessant. Am unteren Ende nennen wir diese Planeten Super-Erden, und an der oberen Größe sind sie Mini-Neptuns (Neptun ist etwa viermal breiter als die Erde). Tatsächlich sind Mini-Neptune zahlenmäßig die am häufigsten vorkommenden Planeten in der Kepler-Probe!

Das ist auch interessant. Wir haben weder eine Supererde noch einen Mini-Neptun in unserem eigenen Sonnensystem. Aus irgendeinem Grund, die häufigsten Planeten in der Galaxie befinden sich nicht um unsere Sonne .

Das sagt uns etwas Wichtiges, obwohl nicht klar ist, was es ist. Wir können es aber vermuten. Planeten bilden sich aus einer wirbelnden Materialscheibe um einen jungen Stern, die protoplanetare Scheibe . Details sind kompliziert, aber im Allgemeinen bilden sich zuerst kleine Körner, die dann größer werden, wenn sie mit anderen Körnern kollidieren und an ihnen haften bleiben. Über Millionen von Jahren schwellen diese auf einen Durchmesser von etwa einem Kilometer an (wir nennen diese Planetesimale), und diese kollidieren zu viel größeren Protoplaneten, die etwa tausend Kilometer breit sind.

Hineinzoomen

Zeichnung, die die Beziehung zwischen den Planeten zeigt. Alles von der protoplanetaren Scheibe; einige werden groß genug, um Gasriesen zu werden, andere bleiben klein wie die Erde. Aber einige kleine wachsen zu Mini-Neptunen. Alle drei Planetengruppen sind verschieden. Bildnachweis: NASA/Kepler/Caltech (T. Pyle)

Diese werden zu den Kernen wahrer Planeten wie der Erde. Wenn Material ausgeht, bis der Protoplanet die Größe der Erde erreicht, hört er auf zu wachsen. Aber wenn es da draußen noch etwas gibt, kann es größer werden. Sobald es etwa das 1,5-fache des Erddurchmessers erreicht (was ihm weit mehr als das 3-fache der Erdmasse ergeben würde)^*) wird die Schwerkraft stark genug, um leichtere Gase wie Wasserstoff und Helium festzuhalten. Dies ist ein Wendepunkt für den jungen Planeten, denn es gibt viel von diesem Gas. Es kann viel größer werden und die Lücke überspringen, um ein Mini-Neptun zu werden (zumindest; es könnte auch zu einem echten Gasriesen wie Saturn oder Jupiter werden, aber diese sind bei weitem weniger verbreitet als Mini-Neptuns).

Zumindest ist das die aktuelle Denkweise. Aber wenn es wahr ist, warum gibt es hier keine dieser Supererden oder Mini-Neptune, die die Sonne umkreisen? Das wird nicht verstanden. Hypothesen gibt es im Überfluss, und eine befasst sich mit Jupiter. Als er groß wurde, hätte Jupiter mit der protoplanetaren Scheibe interagiert und wäre zur Sonne gewandert, während er Material von der Scheibe ansaugte. Es wirbelte die Scheibe dort auf, und alle sich bildenden Protoplaneten wären ineinander geschmettert und hätten Trümmer fliegen lassen. Vieles davon wurde aus dem inneren Sonnensystem geschleudert, aber was übrig blieb, bildeten die Planeten, die wir heute sehen. Da es weniger Material gab, sind die Planeten der zweiten Generation, die wir im inneren Sonnensystem haben, kleiner. Danach zogen Gravitationswechselwirkungen mit Saturn Jupiter wieder heraus, und wir haben das System, das wir jetzt sehen.

Das kann richtig sein oder nicht; Astronomen stehen noch am Anfang, um dies herauszufinden! Wenn man sich nur unser eigenes Sonnensystem ansieht, ist es schwer zu wissen, was was ist. Vergleichen und Vergleichen ist eine ausgezeichnete Methode, um die mysteriösen Ursprünge und wachsenden Schmerzen unseres lokalen Systems herauszufinden, und die gute Nachricht ist, dass wir jetzt viele andere Planetensysteme haben, mit denen wir unseres vergleichen können.

Dies ist eine nicht ganz so sanfte Erinnerung an einen der wunderbarsten Aspekte der Astronomie: Wenn wir ins Universum blicken, die Objekte betrachten und studieren, die wir Billionen von Kilometern entfernt finden, stellen wir fest, dass wir unser eigenes Zuhause verstehen besser.

Wenn das der einzige Grund für uns wäre, Wissenschaft zu betreiben, dann wäre es das allein schon wert.

^*Die Masse eines Planeten hängt von seinem Volumen ab, und das Volumen nimmt mit der Kubik des Radius zu. Ein Planet, der 1,5 mal breiter als die Erde ist, hat also 1,5 x 1,5 x 1,5 = 3,4 der Erdmasse. Dies ist eine grobe Schätzung, aber nahe genug. Der Punkt ist, die Schwerkraft ist viel stärker.

[Top-Bildnachweis: n ASA/JPL-Caltech ]