Sedan den första upptäckten av exoplaneter - planeter som kretsar kring andra stjärnor - har forskare fascinerats av bristen på planeter som är mellan cirka 1,5 och 2 gånger större än jorden. Fenomenet har fått smeknamnet "radiedalen", och skiljer två stora planetpopulationer åt – så kallade superjordar och mini-Neptunusar. En forskargrupp ledd från Chalmers har studerat en sådan planet och funnit nya ledtrådar till varför de är så sällsynta.
– TOI-733b är den mest intressanta exoplanet som jag har studerat, eftersom det är en planet i radiedalen som kretsar kring en solliknande stjärna. Det är sällsynt! Det finns flera olika teorier om hur dessa planeter bildas och utvecklas, säger Iskra Georgieva, Chalmers tekniska högskola.
Tack vare teleskop som NASA:s Kepler och TESS (Transiting Exoplanets Survey Satellite), och många andra instrument, har astronomer kunnat studera tusentals planeter som kretsar runt andra stjärnor. Genom att mäta planeternas storlek och massa har de förvånats över hur olika andra planetsystem kan vara från vårt solsystem.
Ju längre bort planeten är från stjärnan, desto svårare är den att upptäcka.
Chalmersastronomen Iskra Georgieva ledde en studie av ett planetsystem som upptäcktes av TESS, som nyligen publicerades i tidskriften Astronomy & Astrophysics. Teamet visar upp en planet med ovanliga egenskaper, på ett avstånd av 245 ljusår.
De flesta exoplaneter är omöjliga att observera direkt, eftersom stjärnans ljus dränker allt ljus från de vanligtvis mycket mindre planeterna i systemet. Men genom att använda förändringar i ljuset från stjärnan kan astronomer använda flera metoder för att upptäcka och observera exoplaneter. De två vanligaste är transitmetoden och radialhastighetsmetoden. Den första metoden upptäcker återkommande minskningar av ljusstyrkan hos en stjärna varje gång en planet passerar – eller transiterar – framför den; den andra förlitar sig på dopplerförskjutningen av spektrallinjerna i det ljus som avges från en stjärna (röd och blå förskjutning), vilket kan berätta om massan hos en annan kropp (till exempel en planet) drar åt stjärnan.
Båda metoderna är mest framgångsrika i fall där planeten är stor och/eller nära systemets stjärna.
– En planet i en bredare bana kommer att dra mindre i stjärnan och kommer också att passera mindre ofta. Så orsakerna är olika, men effekten är densamma: ju längre bort planeten är från stjärnan, desto svårare är den att upptäcka, säger Iskra Georgieva, som är en del av ett stort team av exoplanetforskare som kallas Kesprint.
Har TOI-733b förlorat sin atmosfär? I så fall, hur?
Exoplaneten i fråga upptäcktes först av TESS och heter TOI-733b. Den befinner sig 245 ljusår bort, är nästan dubbelt så stor som jorden och kretsar runt sin stjärna på 4,9 dagar. Forskarnas mätningar, modeller och beräkningar tyder på att om planeten någonsin haft en atmosfär av lätta grundämnen som väte och helium, så har den med största sannolikhet förlorat den.
En planet kan förlora sin atmosfär på flera olika sätt. De två vanligaste mekanismerna som beskriver en sådan process är fotoförångning, där strålning från en närliggande stjärna förångar atmosfären, eller kärndriven massförlust, där värme från planetens kärna strålar ut i atmosfären. Fotoförångning är den snabbare mekanismen av de två och äger rum medan stjärnan och systemet är relativt unga.
– Vi tror att planeter som TOI-733b representerar en kritisk storlek i planetbildningen. Planeter som når denna storlek får snabbt tjocka atmosfärer av väte- och heliumgas och blir gasplaneter, som Neptunus. Planeter som är mindre än denna gräns kan inte hålla kvar en sådan atmosfär och förblir därför huvudsakligen steniga, med tunn atmosfär. Och om de befinner sig nära sin stjärna, som i sin tur avger rätt mängd och typ av strålning, kan planeternas atmosfärer avlägsnas av stjärnan. Detta verkar vara fallet för TOI-733b, förklarar Iskra Georgieva.
– Förlorar dessa planeter sina atmosfärer på något av de ovan beskrivna sätten? Kan båda processerna förekomma, eller är den ena mer dominerande? Hur ofta slutar planeter av den här storleken som TOI-733b? Det finns många frågor kvar att besvara!, säger Iskra Georgieva.
Exoplaneter är det bästa av två världar
Det är spännande tider för exoplanetforskningen, och för Iskra själv: hon försvarade nyligen sin doktorsavhandling.
– Vi upptäcker fler och fler av dessa mystiska planeter. Vi kan inte åka dit med den teknik och fysik vi har idag, de är inte inom räckhåll även om vi reser i flera livstider, vi kan inte riktigt se hur de ser ut. De inspirerar till många frågor, inte minst 'Kan det finnas liv där?'.
Även om liv på TOI-733 b är osannolikt, är planeter för Iskra mer relaterbara än andra heta ämnen inom astronomi, som svarta hål, mörk materia eller big bang.
– Vi känner till planeter. Vi kan se de flesta av solsystemets planeter på himlen med blotta ögat, och vi bor till och med själva på en planet! För mig är exoplaneter det bästa av två världar - mystiska men ändå högst påtagliga, säger Iskra Georgieva.