Astronomer kæmper for at lære om superjordene - større end vores jord, mindre end Neptun - den mest almindelige type planet, der findes af Kepler-rumfartøjet.
Illustration af den udledte størrelse af en superjord (centrum) i sammenligning med Jorden og Neptun. Via Aldaron på Wikipedia
NASAs Kepler-rumfartøj, der blev lanceret på en planetjagtmission i 2009, søgte på en lille plaster af himlen og identificerede mere end 4.000 kandidateksoplaneter. Disse fjerne verdener kredser andre stjerner end vores egen sol. Keplers undersøgelse var den første, der gav et definitivt kig på planets relative frekvens som en funktion af størrelsen. Resultaterne antydede, at små planeter er meget mere almindelige end store. Interessant nok er de mest almindelige planeter dem, der bare er lidt større end Jorden, men mindre end Neptun - de såkaldte superjord.
Der er ingen super-jorde i vores eget solsystem. Mens astronomer i dag er i stand til at kigge over det fjerne rum og lære noget om størrelserne og kredsløbene på superjordene, vil de gerne vide… hvad er superjorden lavet af?
En superjord kunne være en større version af vores egen jord - for det meste stenet, med en atmosfære. Eller det kan være en mini-Neptun, med en stor steniskerne indkapslet i en tyk kuvert af brint og helium. Eller en superjord kan være en vand verden - en stenet kerne indhyllet i et tæppe af vand og måske en atmosfære sammensat af damp (afhængigt af planetens temperatur).
Heather Knutson er adjunkt i planetarisk videnskab ved Caltech. Hun og hendes studerende bruger rumbaserede observatorier som Hubble- og Spitzer-rumteleskopene for at lære mere om superjordene. Knutson sagde:
Det er virkelig interessant at tænke på disse planeter, fordi de kunne have så mange forskellige kompositioner, og at kende deres sammensætning vil fortælle os meget om, hvordan planeter dannes.
Fordi planeter i dette størrelsesområde for eksempel erhverver det meste af deres masse ved at trække ind og inkorporere fast materiale, skal vandverdener oprindeligt have dannet sig langt væk fra deres moderstjerner, hvor temperaturerne var kolde nok til, at vand kunne fryse. De fleste af de i dag kendte superjordar kredser meget tæt på deres værtstjerner. Hvis vanddominerede superjordar viser sig at være almindelige, ville det indikere, at de fleste af disse verdener ikke dannede sig på deres nuværende placeringer, men i stedet vandrede ind fra fjernere kredsløb.
I denne kunstners skildring krydser den Neptun-størrelse planet HAT-P-11b foran sin stjerne.Billede via NASA / JPL-Caltech
Knutson og hendes team bruger kredsende teleskoper til at analysere stjernelyset, der filtrerer gennem en eksoplanet-atmosfære, når disse planeter passerer foran deres stjerner, set fra Jorden. På denne måde har de været i stand til at karakterisere næsten to dusin af gasgiganteksoplaneterne kendt som hot-Jupiters, der viser, at disse slags verdener har vand, kulilte, brint, helium - og potentielt kuldioxid og metan - i deres atmosfære.
Men hvad med superjordene? Indtil videre er det kun få, der er tæt nok og kredser lyse nok stjerner til, at astronomer kan studere dem med aktuelt tilgængelige teleskoper og teknikker.
Den første superjord, som det astronomiske samfund målrettede til atmosfæriske studier, var GJ 1214b i stjernebilledet Ophiuchus. Baseret på dens gennemsnitlige tæthed (bestemt ud fra dens masse og radius) var det fra starten klart, at planeten ikke var helt stenet. Imidlertid kunne dens densitet matches lige godt af enten en primært vandkomposition eller en Neptune-lignende sammensætning med en stenet kerne omgivet af en tyk gashylster.
Oplysninger om atmosfæren kan hjælpe astronomer med at bestemme, hvilken den var: en mini-Neptuns atmosfære skal indeholde masser af molekylært brint, mens en vandverdenes atmosfære bør være vanddomineret.
GJ 1214b har været et populært mål for Hubble-rumteleskopet siden det blev opdaget i 2009. Skuffende, efter en første Hubble-kampagne ledet af forskere ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, kom spektret tilbage uden funktion - der var ingen kemiske signaturer i atmosfære. Efter at et andet sæt mere følsomme observationer ledet af forskere ved University of Chicago vendte tilbage det samme resultat, blev det klart, at et højt skydækk skal maskere underskrivelsen af absorption fra planetens atmosfære. Knutson sagde:
Det er spændende at vide, at der er skyer på planeten, men skyerne kommer i vejen for det, vi faktisk ønskede at vide, hvilket er hvad er denne superjord lavet af?
Nu har Knutsons team studeret en anden superjord: HD 97658b, i retning af stjernebilledet Leo. De rapporterer om deres fund i den aktuelle udgave af The Astrofysisk tidsskrift. Forskerne brugte Hubble til at måle faldet i lys, da planeten passerede foran sin overordnede stjerne over en række infrarøde bølgelængder for at detektere små ændringer forårsaget af vanddamp i planetens atmosfære.
Men igen kom dataene uden mening tilbage. En forklaring er, at HD 97658b også er indhyllet i skyer. Imidlertid siger Knutson, det er også muligt, at planeten har en atmosfære, der mangler brint. Fordi en sådan atmosfære kunne være meget kompakt, ville det gøre de tydelige fingre med vanddamp og andre molekyler meget små og svære at opdage. Hun sagde:
Vores data er ikke præcise nok til at fortælle, om det er skyer eller fraværet af brint i atmosfæren, der får spektret til at være fladt. Dette var bare et hurtigt første kig for at give os en grov idé om, hvordan atmosfæren så ud. I løbet af det næste år vil vi bruge Hubble til at observere denne planet igen mere detaljeret. Vi håber, at disse observationer giver et klart svar på det aktuelle mysterium.
I fremtiden skal nye undersøgelser, såsom NASAs udvidede Kepler K2-mission og Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), der er planlagt til lancering i 2017, identificere en stor prøve af nye superjord-mål.
Selvfølgelig, siger hun, ville astronomer elske at studere eksoplaneter på størrelse med Jorden, men disse verdener er bare lidt for små og for vanskelige at observere med Hubble og Spitzer. NASAs James Webb-rumteleskop, der er planlagt til lancering i 2018, vil give den første mulighed for at studere flere jordlignende verdener. Hun kommenterede:
Superjordene er i udkanten af det, vi kan studere lige nu. Men super-Earths er en god trøstepræmie - de er interessante i deres egen ret, og de giver os en chance for at udforske nye slags verdener uden analog i vores eget solsystem.