Exoplanet: en verden med dobbelt så stor masse som jorden, men på størrelse med Saturn

Kepler-51b veier omtrent dobbelt så mye som jorden, men blåser seg opp til nesten samme størrelse som Saturn, en planet som er hundre ganger tyngre enn jorden. Nettopp et slikt avvik mellom masse og størrelse er grunnen til at exoplaneter, verdener som kretser rundt andre stjerner enn solen, stadig overrasker astronomene som studerer dem.

For knapt tre tiår siden hadde ingen bekreftet en eneste planet utenfor vårt eget solsystem. I dag er tusenvis katalogisert, og tallet fortsetter å stige etter hvert som romteleskoper og bakkebaserte kartlegginger forbedrer søket. Denne guiden samler funnene, nesten-treffene og fysikken som gjør exoplaneter til et av de mest livlige feltene innen astronomi.

De første bekreftede exoplanetene var ikke de koselige, jordlignende verdenene skjønnlitteraturen hadde lovet. Det var to planeter med jordlignende masse funnet i bane rundt en millisekundpulsar, den kollapsede, hurtigroterende resten av en død stjerne, kunngjort i 1992 av Aleksander Wolszczan og Dale Frail. Pulsarer sender ut radiopulser med så presis klokkenøyaktighet at små tidsavvik avslørte gravitasjonen til usynlige følgesvenner.

Tre år senere kom en oppdagelse som føltes mer kjent. Astronomer fant den første bekreftede exoplaneten rundt en sollignende hovedseriestjerne i en tett, firedagers bane rundt 51 Pegasi i 1995. Forskerne fastslo den med et spektroskop presist nok til å fange hastighetsendringer på rundt 70 meter per sekund i stjernens lys – det svake gravitasjonsdraget fra en planet i bane som drar stjernen frem og tilbake. Denne instrumentpresisjonen, som kunne oppdage en skjelving langsommere enn en rask joggetur, var det som gjorde jakten på exoplaneter til en repeterbar vitenskap i stedet for spekulasjon.

Ikke alle exoplaneter passer inn i de ryddige kategoriene astronomene har bygget opp fra våre egne åtte planeter. Kepler-51b har bare omtrent dobbelt så stor masse som jorden, men volumet sveller opp til nesten Saturns størrelse, en planet som er hundre ganger tyngre. En planet som er så oppblåst i forhold til massen sin, må ha en ekstremt lav tetthet, noe som tyder på en atmosfære så utstrakt og lett at den så vidt henger sammen.

Avvik mellom masse og størrelse går begge veier. Blant oppføringene i NASAs exoplanetarkiv er det ingen som overgår HR 2562 b i masse, som veier rundt 30 ganger så mye som Jupiter – som selv allerede er den tyngste planeten i vårt eget solsystem. I den andre enden fant en bredere undersøkelse av tusenvis av exoplaneter et mønster i hvordan de beveger seg, snarere enn i hvor store de er: store planeter har en tendens til å legge seg i elliptiske baner, mens mindre planeter foretrekker baner nærmere sirkelform. Ingen planlegger et solsystem på den måten – det er rett og slett det gravitasjon og gjenværende rusk gir opphav til over milliarder av år.

Noen exoplaneter kretser ikke bare rundt stjernen sin – de går sakte i oppløsning foran øynene på den. En slik dømt verden, oppdaget av Kepler, fullfører en runde rundt vertsstjernen sin på bare 16 timer og drar med seg en kometlignende hale av støv fordampet fra sin egen overflate. Astronomene oppdaget den kun fordi denne støvskyen periodisk demper stjernelyset når den passerer – en signatur som skiller seg fra de rene, gjentakende dippene til en intakt planet.

Å ta en planet på fersk gjerning i denne tilstanden krevde at man overvåket et enormt antall stjerner samtidig, noe som er nøyaktig det Kepler ble bygget for: teleskopet overvåket mer enn 145 000 stjerner samtidig, på jakt etter den korte, svake formørkelsen som avslører en exoplanet i transitt. De fleste planetene som oppdages på denne måten oppfører seg normalt. Denne skilte seg ut nettopp fordi den ikke gjorde det.

Blant Keplers oppdagelser fikk Kepler-452b et kallenavn av god grunn. Planeten er omtrent 60 prosent større enn jorden og går i bane rundt en stjerne av G2-typen, samme brede klasse som solen – bortsett fra at denne har rukket å bli 6 milliarder år gammel, hele 1,5 milliarder år mer enn vår egen stjerne har opplevd. Jon Jenkins, leder for Keplers dataanalyse, kalte den «en eldre, større fetter av jorden», en planet som lar forskerne «forstå og reflektere over jordens miljø i utvikling».

Det som gjør Kepler-452bs bane bemerkelsesverdig, er hvor ordinær den ser ut til tross for planetens større størrelse: en full runde tar 385 dager, bare 5 prosent mer enn det jorden trenger for én runde rundt solen. Man skulle kanskje forvente at en så mye større planet ligger mye lenger fra stjernen sin, men tallene havner overraskende nær våre egne, en påminnelse om at størrelse og baneavstand ikke automatisk skalerer sammen.

Å forstå det indre av en planet er vanskeligere enn å oppdage den i utgangspunktet, siden ingen teleskop kan se gjennom en planets skyer. Laboratorieforsøk fyller det gapet ved å gjenskape de knusende trykkene som finnes dypt inne i gasskjemper. Å presse hydrogen, i form av deuterium, til et trykk på rundt 150 gigapascal får det til å skifte fra en gjennomsiktig til en ugjennomsiktig tilstand – en terskel som er relevant for å modellere hva som skjer inne i massive gasskjempe-exoplaneter og deres slektninger i solsystemet. Slike resultater lar astronomer omsette en planets målte masse og radius til en kvalifisert gjetning om dens indre struktur, ettersom to planeter med identiske ytre kjennetegn kan skjule svært ulike indre.

Den nærmeste stjernen til solen viste seg å huse en egen planet. Proxima Centauri b, oppdaget i bane rundt denne nabostjernen, fullfører en bane hver 11,2 jorddøgn i en avstand på bare rundt 0,04848 AU – tettere enn Merkurs bane rundt solen. Denne nærheten til stjernen er det som holder planeten varm nok til å være interessant, til tross for at den kretser rundt en langt svakere stjerne enn solen.

Litt lenger ute i jakten på planetsystemer i nærheten ga TRAPPIST-1 en annen type gevinst. Planetsystemet ble oppdaget i 2016 av et team ledet av den belgiske astronomen Michael Gillon, ved hjelp av observasjoner fra La Silla-observatoriet i Chile, og avdekket en kompakt familie av planeter samlet rundt en liten, kjølig stjerne. Å finne et helt system i én kampanje, i stedet for én planet om gangen, endret hvordan astronomer planlegger fremtidige kartlegginger.

Alle exoplanetene som er omtalt så langt, tilhører vår egen galakse. Den grensen holdt til forskere kombinerte NASAs røntgenobservatorium Chandra med en mikrolinseteknikk, og observerte en fjern kvasargalakse etter fingeravtrykkene til usynlige planeter som bøyde lyset dens. Analysen fant bevis for rundt 2 000 ekstragalaktiske planeter per stjerne utenfor Melkeveien. Det var de første dataene som antydet at vår egen galakse bare er én øy blant et antall exoplaneter som overstiger én billion når man ser utenfor den – et tall så stort at det gjør enkeltplaneter om til en statistisk bakgrunnssurring snarere enn diskrete objekter å katalogisere én etter én.

Instrumenter bygget for å fange en enkelt vaklende stjerne eller en enkelt lyskurve som dempes, ble aldri designet med en billion planeter i tankene. At de samme deteksjonsprinsippene – små gravitasjons- og optiske forvrengninger – skalerer fra et enslig stjernesystem til en hel galakses mengde planeter, sier like mye om metodenes oppfinnsomhet som om hvor vanlige planeter faktisk viser seg å være.

Keplers egen maskinvare illustrerer hvor mye presisjon denne jakten krever. Hovedspeilet målte 1,4 meter i diameter, og da Kepler ble skutt opp, hadde ingen andre teleskoper utenfor jordens atmosfære et større – en rekord som Herschel-romobservatoriet overtok bare noen få måneder senere. Å bygge et så stort instrument, og rette det mot samme flekk på himmelen i årevis, var prisen for å fange de svake, gjentakende transittene som avslører en planet på størrelse med jorden.

Hver generasjon innen exoplanetforskning har bygget videre på den forrige: pulsartidtaking ga vei for stjernevakling, stjernevakling ga vei for transittfotometri som overvåker hundretusener av stjerner samtidig, og transittfotometri strekker seg nå helt til galakser utenfor vår egen. Den neste overraskelsen, enten det er en planet enda merkeligere enn Kepler-51b eller bevis som omformer hvor vanlige planeter egentlig er, ligger trolig allerede i data som venter på å bli analysert.

• ScienceDaily: Under trykk gir hydrogen et innblikk i gasskjempers indre
• NASA: Kepler-oppdraget oppdager en større, eldre fetter av jorden
• Phys.org: Fordampende exoplanet virvler opp støv
• National Geographic: Ny oppdagelse tyder på at exoplaneter kan finnes utenfor Melkeveien
• Wikipedia: Exoplanet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler-romteleskopet
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1