Så utforskar astronomerna exoplaneterna

Listan på mer eller mindre jordliknande planeter i andra solsystem­ blir bara längre och längre, men de ligger långt utom räckhåll för både människor och robotar att utforska och endast ett fåtal planeter har än så länge kunnat observeras direkt. Trots det har astronomerna knep för att ta reda på vad som skulle vänta oss om vi hade kunnat besöka några av dessa besynnerliga platser.

Planeten Kepler-10b är en av de atmosfärslösa stenplaneter vars samman­sättning astronomer från två stora amerikanska forskningsinstitut vill undersöka med hjälp av infraröd strålning.  Bild: Nasa

Planeten Kepler-10b är en av de atmosfärslösa stenplaneter vars samman­sättning astronomer från två stora amerikanska forskningsinstitut vill undersöka med hjälp av infraröd strålning. Bild: Nasa

Det var inte så många år sedan­ diskussionen om ifall det fanns planeter eller inte kring andra stjärnor än solen var livlig. Nu vet vi att de finns, och att de är många. Och inte oväntat är en av astronomernas favoritsysselsättningar att studera dessa exoplaneter.

Den stora variation dessa planeter verkar uppvisa gör dem ännu mer spännande. I vårt solsystem finns ju bara åtta planeter, och alla är olika. Exoplaneter känner vi hittills till tusentals­ och många har ingen motsvarighet i solsystemet. Eftersom de ligger så långt bort är det emellertid omöjligt att skicka rymdsonder för att ta en närmare titt och i de flesta fall kan själva planeterna inte ens ses genom ett teleskop. Astronomerna står därför inför ett dilemma. Hur ska planeter som dessa kunna utforskas?

Förmörkelser sprider ljus

En av de viktigaste detaljerna när det gäller att lista ut vad en exoplanet­ har att erbjuda är att studera dess atmosfär­.

Ett sätt att dra slutsatser om hur atmosfären på en avlägsen planet ser ut utan att kunna se planeten är att utnyttja förmörkelser. Både primära förmörkelser, där planeten förmörkar ljuset från sin stjärna, och sekundära förmörkelser, där planeten försvinner­ bakom stjärnan, är i det här fallet användbara­.

Optiken i det instrument som används av Project 1640 är mycket komplex och krävde datormodeller som denna för design och konstruktion. De röda strålarna illustrerar ljusets väg genom instrumentet, som då det används befinner sig i en vakuumkammare och är nerkylt till –193 grader­. Bild: Ben Oppenheimer/AMNH

Optiken i det instrument som används av Project 1640 är mycket komplex och krävde datormodeller som denna för design och konstruktion. De röda strålarna illustrerar ljusets väg genom instrumentet, som då det används befinner sig i en vakuumkammare och är nerkylt till –193 grader­. Bild: Ben Oppenheimer/AMNH

Vid primära förmörkelser resulterar­ planetens passage framför stjärnan, förutom att planeten delvis förmörkar stjärnan, i att en del av ljuset från stjärnan filtreras genom planetens atmosfär. Genom att undersöka vilka våglängder som absorberas av planet­atmosfären är det på så vis möjligt att identifiera ämnen som finns i luften.

Vid en sekundär förmörkelse kan man jämföra hur stjärnans ljusspektrum ser ut innan och efter det att planeten försvinner bakom den. Skillnaderna mellan de två spektrumen ger en bild av hur planetens eget ljusspektrum ser ut, vilket också skvallrar om vad som finns i atmosfären.

Dessa indirekta metoder har än så länge bara kunnat tillämpas på planeter i storlek med Jupiter eller Neptunus­, men de kommer i framtiden även att kunna användas för små jordliknande planeter. Det finns dock en stor begränsning – planetens bana måste ligga i en sådan vinkel i förhållande till jorden att den passerar framför och bakom sin stjärna.

Ny teknik dämpar stjärnljus

Ett annat sätt att angripa problemet är att försöka göra det möjligt att observera­ fler planeter och deras atmosfärer direkt.

Trots att den enorma skillnaden i ljusstyrka mellan det svaga reflekterade ljuset från en exoplanet och dess ljusstarka stjärna gör det mycket svårt att se planeter i andra solsystem, har en grupp amerikanska astronomer under ledning av Ben Oppenheimer vid American Museum of Natural History tagit sig an utmaningen och utvecklat en metod som gör att de i detalj kan studera både planeter vi redan kunnat skymta och planeter som tidigare varit helt osynliga.

Om de planeter som hittas i andra solsystem är gasplaneter eller jordliknande stenplaneter går att avgöra utan att man behöver se dem. Bild: SPL

Om de planeter som hittas i andra solsystem är gasplaneter eller jordliknande stenplaneter går att avgöra utan att man behöver se dem. Bild: SPL

Satsningen, som går under namnet Project 1640, använder sig av en så kallad koronagraf, en apparat som stänger ute ljuset från stjärnan, och adaptiv optik, som med hjälp av en laserstråle mäter förändringar i jordens atmosfär och korrigerar bilden. Det gör det möjligt att se relativt närbelägna planeter med hjälp av markbaserade teleskop och studera planeternas ljusspektrum i en spektrograf.

– Genom att utföra observationer med väldigt hög kontrast kan vi direkt avbilda planeter som befinner sig på ett litet vinkelavstånd från sin stjärna, något som tidigare varit omöjligt då ljuset från planeten drunknar i ljuset från den ljusstarka stjärnan, säger den svenske astronomen Ricky Nilsson, som deltar i projektet och som hoppas att tekniken även ska kunna användas för att närmare studera de bälten av överblivet planetbildningsmaterial som finns runt många unga stjärnor.
Gruppens hårda arbete har redan­ givit resultat. Då de kopplade sin utrustning­ till det 5,1 meter stora Hale­teleskopet vid Palomarobservatoriet i Kalifornien i USA och riktade det mot stjärnan HR 8799, 130 ljusår från jorden, lyckades de observera atmosfären på alla stjärnans fyra kända planeter.

– På bara en timme kunde vi få fram precis information om sammansättningen av fyra planeter kring en överväldigande stark stjärna, säger gruppmedlemmen Gautam Vasisht från JPL (Jet Propulsion Laboratory).

Oväntad mångfald

Då de fyra planeterna kring HR 8799 tros ha bildats ur samma protoplanetära skiva och har ungefär samma ljusstyrka och temperatur förväntade man sig hitta fyra planeter som var ganska lika varandra – men till sin förvåning fann astronomerna att planeterna har vitt skilda ljusspektrum och därför måste ha helt olika sammansättning.

En planets  avstånd från stjärnan ger en vink om dess temperatur, men temperaturen beror även till stor del på andra faktorer som hur atmosfären ser ut. En sätt att studera en planets atmosfär utan att man behöver se planeten är att undersöka det stjärnljus som filtreras genom atmosfären då planeten passerar framför stjärnan. Bild: Nasa

En planets avstånd från stjärnan ger en vink om dess temperatur, men temperaturen beror även till stor del på andra faktorer som hur atmosfären ser ut. En sätt att studera en planets atmosfär utan att man behöver se planeten är att undersöka det stjärnljus som filtreras genom atmosfären då planeten passerar framför stjärnan. Bild: Nasa

Det visade sig till exempel att två av planeterna, HR 8799 b och d, har koldioxid i sina atmosfärer, att b och c har ammoniak, d och e har metan och b, d, och e har acetylen.

Förutom att det gör planeterna mycket olika skiljer de sig dessutom från alla tidigare kända objekt. Till exempel har en förekomst av acetylen aldrig tidigare kunnat bekräftas i andra objekt än stjärnor utanför solsystemet.

Allt som allt kan detta bara leda till en slutsats: att mångfalden bland planeterna i universum måste vara större än vad vi kunnat föreställa oss.

Planeterna kring HR 8799 är dessutom bara Project 1640:s första mål. Nu väntar en tre år lång inspektion av 200 stjärnor. I nuläget är de dock begränsade till att undersöka planeter i storlek med Jupiter.

Gas, vatten eller sten

Själva planeternas sammansättning kan astronomerna i grova drag uppskatta med hjälp av deras densitet. För att räkna ut en planets densitet krävs att man känner till både dess massa och dess radie, vilket inte alltid är möjligt. Det går nämligen bara att få fram båda dessa egenskaper om planeten passerar framför stjärnan, eftersom den så kallade dopplermetoden som används för att lokalisera övriga planeter endast ger en undre gräns för planetens massa och ingen information om dess radie.

James Webb-teleskopet, som ska skjutas upp 2018, kommer­ sannolikt att vara tillräckligt kraftfullt för att snappa upp infraröd strålning från stenplaneter i omloppsbana­ kring solliknande stjärnor. Bild: Esa

James Webb-teleskopet, som ska skjutas upp 2018, kommer­ sannolikt att vara tillräckligt kraftfullt för att snappa upp infraröd strålning från stenplaneter i omloppsbana­ kring solliknande stjärnor. Bild: Esa

För de planeter där densiteten kan bestämmas, så skvallrar en låg densitet om att det rör sig om en gasplanet. En något högre densitet tyder på att planeten huvudsakligen består av vatten, och en hög densitet om att det är en stenplanet som jorden och de andra­ inre planeterna i vårt eget solsystem.

De jordliknande stenplaneterna, som tack vare rymdteleskopet Kepler­ växt ordentligt i antal upptäckta den senaste tiden, är särskilt intressanta att utforska ytterligare. Men de är också­ minst till storleken och att studera­ deras yta i detalj är en utmaning som vi ännu inte lyckats bemästra­.

Ingen luft

För att tackla problemet föreslår astronomer från MIT och Caltech en metod som skulle kunna hjälpa oss att förstå hur stenplaneter kring andra stjärnor är uppbyggda.

– Att förstå hur ytan på en stenig exoplanet är uppbyggd är ett av de viktigaste stegen för att ta reda på om den är beboelig och vad det finns för naturresurser på planeten, säger Renyu­ Hu vid MIT.

Astronomerna har hittat många olika slags exoplaneter, och bilden av hur en planet måste vara beskaffad har förändrats mycket de senaste åren.

Astronomerna har hittat många olika slags exoplaneter, och bilden av hur en planet måste vara beskaffad har förändrats mycket de senaste åren.

Den nya metoden baserar sig på upptäckten att ett antal av de stenplaneter som hittats inte har någon atmosfär att tala om. Utan en atmosfär som komplicerar bilden kan kemiska signaturer från olika material på ytan identifieras i den infraröda strålningen från dessa planeter. Resultaten kan sedan jämföras med infraröda analyser av atmosfärslösa objekt i vårt eget solsystem, som månen, Mars och Merkurius.

Att bestämma vad en exoplanets yta består av är emellertid inte samma sak som att avgöra sammansättningen av ytan på en planet i solsystemet, och astronomerna medger att instrumentens begränsningar gör att man gör bäst i att koncentrera sig på de mest framträdande signaturerna.

Det bör också nämnas att nuvarande rymdteleskop inte har tillräckligt känsliga instrument för att urskilja de nödvändiga signaturerna från en exoplanets yta. Det kommande James Webb-teleskopet, som ska skjutas upp 2018, tros emellertid vara kraftfullt nog för att planen ska kunna sättas i verket.

Framtidsvision

I förlängningen är målet med den metod som utvecklats av Hu och hans kollegor att den ska kunna hjälpa till att identifiera planeter med samma förutsättningar för liv som jorden, vilket de luftlösa planeter som man till att börja med kommer att sikta in sig på per definition saknar.

Planeten HR 8799 c är precis som de andra kända planeterna kring stjärnan HR 8799 större än Jupiter. Temperaturen på planeten uppskattas vara över  1 000 grader och förutom ammoniak har även tecken på vattenånga och kolmonoxid hittats i atmosfären, tillsammans med moln spetsade med korn av järn. Bild: Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics

Planeten HR 8799 c är precis som de andra kända planeterna kring stjärnan HR 8799 större än Jupiter. Temperaturen på planeten uppskattas vara över 1 000 grader och förutom ammoniak har även tecken på vattenånga och kolmonoxid hittats i atmosfären, tillsammans med moln spetsade med korn av järn. Bild: Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics

Även om metoden kräver mer arbete för planeter med en atmosär tror Nasa-forskaren Mark Swain att man genom att separera signaturer från atmosfären och signaturer från ytan i framtiden även kommer att kunna tillämpa den på dessa planeter.

Men för att ta reda på en exoplanets exakta sammansättning kommer det förmodligen att vara nödvändigt att observera den direkt.

– I en mer avlägsen framtid kan den steniga ytan på en exoplanet undersökas i detalj genom att det stjärnljus som reflekteras av planetytan observeras. För att göra detta måste exo­planeten avbildas direkt, vilket kräver­ mycket kraftfulla rymdteleskop, säger­ Renyu­ Hu. 

Fakta: 
HR 8799

Stjärnan HR 8799, som ligger ungefär 130 ljusår bort, är en relativt ung stjärna – endast 30 miljoner år gammal. Stjärnan är ungefär 1,5 gånger så stor som solen och fem gånger så ljusstark. Det är också en variabel stjärna, vilket betyder att ljusstyrkan varierar.

Den amerikanska satsningen Project 1640 har genom att blockera ljuset från stjärnan HR 8799 kunnat observera atmosfären på dess fyra kända planeter direkt. Slutsatsen är att planeterna är förvånansvärt olika. Bild: Project 1640

Den amerikanska satsningen Project 1640 har genom att blockera ljuset från stjärnan HR 8799 kunnat observera atmosfären på dess fyra kända planeter direkt. Slutsatsen är att planeterna är förvånansvärt olika. Bild: Project 1640

Stjärnans fyra kända planeter, som alla är större än Jupiter och befinner sig långt ifrån stjärnan, upptäcktes 2008 och har redan tidigare kunnat observeras direkt. Tack vare Project 1640 är nu dessa planeter de mest noggrant studerade planeterna utanför vårt eget solsystem.

Material från
Allt om Vetenskap nr 8 - 2013

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter