Wir haben noch nie so etwas wie das Sonnensystem gefunden. Ist es ein Freak im Weltraum? : Wissenschaftsalarm

Seit der bahnbrechenden Entdeckung 1992 von zwei Planeten, die einen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen, Tausend neue Welten wurden zu einer schnell wachsenden Liste von “Exoplaneten” hinzugefügt in der Milchstraße.

Wir haben viele Dinge daraus gelernt riesiger Katalog fremder Welten, die fremde Sterne umkreisen. Aber ein kleines Detail sticht wie ein Daumen heraus. Wir haben da draußen nichts anderes als unser eigenes Sonnensystem gefunden.

Dies hat einige zu dem Schluss geführt, dass unser Heimatstern und seine Brut in gewisser Weise Ausreißer sein könnten – vielleicht das einzige Planetensystem seiner Art.

Im weiteren Sinne könnte dies bedeuten, dass das Leben selbst ein Ausreißer ist; dass die Bedingungen, unter denen sich die Erde gebildet hat, und ihre Fassade aus selbstreplizierender Chemie schwer nachzubilden sind.

Wenn Sie sich nur die Zahlen ansehen, sind die Aussichten düster. Bei weitem sind die zahlreichsten Exoplaneten, die wir bisher identifiziert haben, von einem Typ, von dem nicht bekannt ist, dass er Leben fördert: Riesen und Unterriesen, von der Gas- und vielleicht Eissorte.

Die meisten Exoplaneten, die wir bisher gesehen haben, umkreisen ihre Sterne sehr eng und umarmen sie praktisch; so nah, dass ihre brutzelnden Temperaturen viel höher wären als der bekannte Bewohnbarkeitsbereich.

Es ist möglich, dass sich die Statistiken bei fortgesetzter Suche ausgleichen und wir mehr Orte sehen, die uns an unseren eigenen Hinterhof erinnern. Aber das Thema ist viel komplexer, als nur auf Zahlen zu schauen. Die Exoplanetenwissenschaft ist durch die Möglichkeiten unserer Technologie begrenzt. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass unser Eindruck von der wahren Vielfalt fremder Welten durch unsere eigene Vorstellungskraft eingeschränkt wird.

Was wirklich da draußen in der Milchstraße und darüber hinaus ist, kann sich sehr von dem unterscheiden, was wir tatsächlich sehen.

Erwartungen und wie man sie durchkreuzt

Die Exoplanetenwissenschaft hat von Anfang an eine lange Tradition darin, Erwartungen zu untergraben.

“Wenn Sie in diese Welt zurückgehen, in der ich als Kind aufgewachsen bin, kannten wir nur ein Planetensystem.” sagte der Planetenforscher Jonti Horner von der University of Southern Queensland gegenüber ScienceAlert.

„Und das war diese Art von impliziter Annahme, und manchmal die explizite Annahme, dass alle Planetensysteme so sein würden. Weißt du, du hättest felsige Planeten in der Nähe des Sterns, die ziemlich klein wären, du hättest Gasriesen, die weit vom Stern entfernt wären, die ziemlich groß wären. Und so wären Planetensysteme.”

Aus diesem Grund brauchten Wissenschaftler eine Weile, um einen Exoplaneten zu identifizieren, der einen Hauptreihenstern wie unsere Sonne umkreist. Angenommen, andere Sonnensysteme wären wie unseres, würde es Jahre dauern, die verräterischen Anzeichen schwerer Planeten zu beobachten, die an ihren Sternen zerren, genauso wie es Jahre dauert, bis unsere eigenen Gasriesen eine Umlaufbahn abgeschlossen haben.

Basierend auf solch langen Perioden einer einzelnen Messung schien es sich nicht der Mühe wert zu sein, eine relativ kurze Geschichte von Beobachtungen für viele Sterne zu sichten, um schlüssig ein anderes Hauptreihen-Sonnensystem auszusieben.

Als sie endlich nachsahen, entsprach der Exoplanet, den sie fanden, nicht dem, was sie erwartet hatten: ein Gasriese, der halb so schwer (und doppelt so groß) wie der Jupiter ist und so nahe um seinen Wirtsstern kreist, sein Jahr 4,2 Tage beträgt und seine Atmosphäre versengt bei Temperaturen um 1.000 Grad Celsius (1800 Grad Fahrenheit).

Seitdem haben wir gelernt, dass diese Planeten vom Typ „Hot Jupiter“ überhaupt keine Kuriositäten sind. Wenn überhaupt, scheinen sie relativ häufig zu sein.

Wir wissen jetzt, dass es da draußen in der Galaxie viel mehr Vielfalt gibt als in unserem Heimatsystem. Es ist jedoch wichtig, nicht davon auszugehen, dass das, was wir derzeit erkennen können, alles ist, was die Milchstraße zu bieten hat. Wenn es da draußen so etwas wie unser eigenes Sonnensystem gibt, liegt es sehr wahrscheinlich außerhalb unserer Erkennungsfähigkeiten.

“Dinge wie das Sonnensystem sind für uns sehr schwer zu finden, sie sind im Moment technologisch etwas über uns hinaus”, sagt Horner.

„Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die terrestrischen Planeten von einer der bisher durchgeführten Untersuchungen erfasst werden. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass Sie einen Merkur, eine Venus, eine Erde und einen Mars um einen Stern wie die Sonne finden können.“

So finden Sie einen Planeten

Um es ganz klar zu sagen: Die Methoden, mit denen wir Exoplaneten entdecken, sind unglaublich clever. Derzeit gibt es zwei, die die Arbeitspferde des Exoplaneten-Erkennungs-Toolkits sind: die Transitmethode und die Radialgeschwindigkeitsmethode.

In beiden Fällen benötigen Sie ein Teleskop, das auf kleinste Änderungen im Licht eines Sterns empfindlich reagiert. Die Signale, nach denen jeder sucht, könnten jedoch unterschiedlicher nicht sein.

Für die Transitmethode benötigen Sie ein Teleskop, das einen Stern über einen längeren Zeitraum fest im Blickfeld halten kann. Aus diesem Grund sind Instrumente wie der weltraumgestützte Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) der NASA ein solches Kraftpaket, das in der Lage ist, über 27 Tage lang ein Segment des Himmels zu erfassen, ohne durch die Erdrotation unterbrochen zu werden.

Eindringen in die Astronomie, ein Exoplaneten-Gif nach dem anderen! Diesmal mit einem GIF, das die Transitmethode zum Aufspüren von Exoplaneten zeigt ? pic.twitter.com/2ZHv24DRTH

– Alysa Obertas (Parodie) (@AstroAlysa) 1. September 2021

Das Ziel dieser Art von Teleskopen ist es, das Signal eines Transits zu erkennen – wenn ein Exoplanet zwischen uns und seinem Wirtsstern vorbeizieht, wie eine winzige Wolke, die ein paar Sonnenstrahlen auslöscht. Diese Lichteinbrüche sind winzig, wie Sie sich vorstellen können. Und ein Leuchtpunkt reicht nicht aus, um sicher auf die Anwesenheit eines Exoplaneten zu schließen; Es gibt viele Dinge, die das Licht eines Sterns dämpfen können, von denen viele einmalige Ereignisse sind. Mehrfachübergänge, insbesondere solche mit regelmäßiger Periodizität, sind der Goldstandard.

Daher werden größere Exoplaneten, die sich auf kurzen Umlaufzeiten befinden und näher an ihren Sternen sind als Merkur an der Sonne (einige viel, viel näher, auf Umlaufbahnen von weniger als einer Erdwoche), in den Daten bevorzugt.

Falls Sie es verpasst haben, mein Gif, das zeigt, wie Exoplaneten mit der Radialgeschwindigkeitsmethode entdeckt werden, ist jetzt im Dunkelmodus verfügbar! pic.twitter.com/P4yvXQVSUt

– Alysa Obertas (Parodie) (@AstroAlysa) 15. August 2022

Die Radialgeschwindigkeitsmethode erkennt das Wackeln eines Sterns, der durch die Gravitationskraft des Exoplaneten verursacht wird, wenn er in seiner Umlaufbahn schwingt. Wie Sie sehen, umkreist ein Planetensystem nicht wirklich einen Stern, sondern tanzt in einem koordinierten Schlurfen. Der Stern und die Planeten umkreisen einen gemeinsamen Schwerpunkt, der als Baryzentrum bekannt ist. Für das Sonnensystem ist das ein Punkt sehr, sehr nahe an der Oberfläche der Sonne oder gerade außerhalb davon, hauptsächlich aufgrund des Einflusses von Jupiterwas mehr als der doppelten Masse aller übrigen Planeten zusammen entspricht.

Im Gegensatz zum Blinzeln-und-du-verpasst-Ereignis eines Transits ist die Verschiebung der Position des Sterns eine fortlaufende Änderung, die keiner ständigen Überwachung bedarf, um sie zu bemerken. Wir können die Bewegung entfernter Sterne erkennen, die ihre Schwerpunkte umkreisen, weil diese Bewegung ihr Licht aufgrund des sogenannten Doppler-Effekts verändert.

Wenn sich der Stern auf uns zubewegt, werden die Lichtwellen, die in unsere Richtung kommen, leicht gequetscht, in Richtung des blaueren Endes des Spektrums; Wenn es sich entfernt, dehnen sich die Wellen zum röteren Ende hin aus. Ein regelmäßiges „Wackeln“ im Licht des Sterns deutet auf die Anwesenheit eines orbitalen Begleiters hin.

Auch hier tendieren die Daten dazu, größere Planeten zu bevorzugen, die einen stärkeren Gravitationseinfluss auf kürzeren, näheren Umlaufbahnen zu ihrem Stern ausüben.

Abgesehen von diesen beiden herausragenden Methoden ist es gelegentlich möglich, einen Exoplaneten direkt abzubilden, während er seinen Stern umkreist. Obwohl es extrem schwierig ist, dies zu tun, kann es in der JWST-Ära häufiger vorkommen.

Laut dem Astronomen Daniel Bayliss von der University of Warwick im Vereinigten Königreich würde dieser Ansatz eine fast entgegengesetzte Klasse aufdecken vom Exoplaneten zur Sorte mit kurzer Umlaufbahn. Um einen Exoplaneten zu sehen, ohne dass er vom grellen Licht seines Muttersterns überflutet wird, müssen die beiden Körper einen sehr großen Abstand haben. Das bedeutet, dass der direkte Abbildungsansatz Planeten auf relativ langen Umlaufbahnen bevorzugt.

Größere Exoplaneten wären mit dieser Methode jedoch aus offensichtlichen Gründen immer noch leichter zu erkennen.

„Jede der Entdeckungsmethoden hat ihre eigenen Vorurteile“, erklärt Bayliss.

Die Erde mit ihrer einjährigen Schleife um die Sonne liegt zwischen den Orbitalextremen, die von verschiedenen Erkennungstechniken bevorzugt werden, fügt er hinzu, so dass „es immer noch sehr, sehr schwierig ist, Planeten mit einer Umlaufbahn von einem Jahr zu finden“.

Was ist da draußen?

Die mit Abstand zahlreichste Gruppe von Exoplaneten ist eine Klasse, die nicht einmal im Sonnensystem vertreten ist. Das ist der Mini-Neptun – gasumhüllte Exoplaneten, die kleiner als Neptun und größer als die Erde sind.

Die meisten der bestätigten Exoplaneten befinden sich auf viel kürzeren Umlaufbahnen als die Erde; Tatsächlich haben mehr als die Hälfte Umlaufzeiten von weniger als 20 Tagen.

Die meisten Exoplaneten, die wir gefunden haben, umkreisen Einzelsterne, ähnlich wie unsere Sonne. Weniger als 10 Prozent befinden sich in Mehrsternsystemen. Doch mDie meisten Sterne in der Milchstraße sind Mitglieder eines Mehrsternsystems, wobei Schätzungen zufolge bis zu 80 Prozent in einer Partnerschaft gesehen werden, die mindestens einen anderen Stern umkreist.

Denken Sie aber einmal darüber nach. Bedeutet das, dass Exoplaneten um einzelne Sterne herum häufiger vorkommen – oder dass Exoplaneten um mehrere Sterne herum schwerer zu entdecken sind? Das Vorhandensein von mehr als einer Lichtquelle kann die sehr ähnlichen (aber viel kleineren) Signale, die wir von Exoplaneten zu erkennen versuchen, verzerren oder verschleiern, aber es könnte auch argumentiert werden, dass Mehrsternsysteme die Planetenbildung in gewisser Weise erschweren.

Und das bringt uns wieder nach Hause, zurück zu unserem Sonnensystem. So seltsam das Zuhause im Kontext von allem, was wir gefunden haben, auch erscheinen mag, es ist vielleicht überhaupt nicht ungewöhnlich.

„Ich denke, es ist fair genug zu sagen, dass es tatsächlich einige sehr häufige Arten von Planeten gibt, die in unserem Sonnensystem fehlen“, sagt Bayliss.

„Supererden, die ein bisschen wie die Erde aussehen, aber den doppelten Radius haben, so etwas haben wir nicht. Wir haben diese Mini-Neptune nicht. Ich denke also, es ist fair genug zu sagen, dass es einige sehr häufig gibt Planeten, die wir in unserem eigenen Sonnensystem nicht sehen.

„Ob das unser Sonnensystem dadurch selten macht oder nicht, ich denke, ich würde nicht so weit gehen. Denn es könnte viele andere Sterne geben, die einen Planetensatz vom Typ Sonnensystem haben, den wir noch nicht sehen .”

Am Rande der Entdeckung

Die ersten Exoplaneten wurden erst vor 30 Jahren entdeckt, als sie einen Pulsar umkreisten, einen Stern, der unserem eigenen völlig unähnlich ist. Seitdem hat sich die Technologie außer Sichtweite verbessert. Jetzt, da Wissenschaftler wissen, wonach sie suchen müssen, können sie immer bessere Wege finden, sie in einer größeren Vielfalt von Sternen zu finden.

Und mit fortschreitender Technologie wird auch unsere Fähigkeit, immer kleinere Welten zu finden, zunehmen.

Dies bedeutet, dass die Exoplanetenwissenschaft kurz davor stehen könnte, Tausende von Welten zu entdecken, die unserem derzeitigen Blickfeld verborgen sind. Wie Horner betont, gibt es in der Astronomie viel mehr kleine Dinge als große Dinge.

Rote Zwergsterne sind ein perfektes Beispiel. Sie sind die häufigste Art von Sternen in der Milchstraße – und sie sind winzig, bis zu etwa der Hälfte der Masse der Sonne. Sie sind so klein und schwach, dass wir sie mit bloßem Auge nicht sehen können, und dennoch machen sie bis zu 75 Prozent aller Sterne in der Galaxie aus.

Wenn es darum geht, Exoplaneten statistisch zu verstehen, arbeiten wir derzeit mit unvollständigen Informationen, weil es Arten von Welten gibt, die wir einfach nicht sehen können.

Das wird sich ändern.

„Ich habe nur dieses nagende Gefühl, dass Sie, wenn Sie in 20 Jahren wiederkommen, diese Aussagen, dass Mini-Neptune die häufigste Art von Planeten sind, mit ungefähr so ​​viel Skepsis betrachten werden, wie Sie auf Aussagen von zurückblicken würden Anfang der 1990er Jahre, die besagten, dass man nur felsige Planeten neben dem Stern bekommen würde“, sagt Horner gegenüber ScienceAlert.

„Nun, ich könnte mich durchaus als falsch erweisen. So funktioniert Wissenschaft. Aber ich denke, wenn wir an den Punkt kommen, an dem wir Dinge entdecken können, die erdgroß und kleiner sind, werden wir feststellen, dass es mehr Dinge gibt, die das sind sind erdgroß und kleiner als es Dinge gibt, die Neptun-groß sind.”

Und vielleicht finden wir heraus, dass unser seltsames kleines Planetensystem mit all seinen Macken und Wundern doch nicht so allein im Kosmos ist.