Det finns en typ av exoplanet som astronomer ibland kallar sockervaddsplaneter eller superpuffar. De är mystiska, eftersom deras massor inte stämmer överens med deras extremt stora radier. De två egenskaperna innebär en planet med extremt låg densitet.
I vårt solsystem finns det inget som liknar dem, och att hitta dem i avlägsna solsystem har varit förbryllande. Nu kanske ett par astronomer har listat ut det.
Astronomerna är Anthony Piro från Carnegie University och Shreyas Vissapragada, vid Caltech. Deras tidning heter ' Undersöker om superpuffar kan förklaras som ringade exoplaneter .” Den är publicerad i The Astronomical Journal.
'Vi började tänka, tänk om dessa planeter inte alls är luftiga som sockervadd,' sa Piro i en pressmeddelande . 'Tänk om superpuffarna verkar så stora eftersom de faktiskt är omgivna av ringar?'
Planetjägare har hittat över 4 000 bekräftade exoplaneter. Med noggrann observation kan astronomer begränsa exoplanetegenskaper som densitet, massa, storlek och även om de befinner sig i sin stjärnas beboeliga zon. Men det finns inget riktigt sätt att avgöra om dessa avlägsna föremål har ringar.
Det skulle vara förvånande om ingen gjorde det. Alla gasjättar och isjättar i vårt solsystem har ringar, även om bara Saturnus är lätt att urskilja.
Huvuddelen av exoplaneter upptäcks med transitmetoden. Det innebär att noggrant observera en planet när den passerar mellan sin värdstjärna och oss. Baserat på den lilla nedgången i stjärnljus som planetens transit orsakar, kan astronomer upptäcka en planet. Det är också hur de bestämmer en planets andra egenskaper, tillsammans med att se när stjärnan vinglar som svar på planetens rörelse.
Men transitmetoden kan inte berätta för astronomer om en planet har ringar. I ett tankeexperiment undrade astronomerna hur planeter som Saturnus skulle se ut för en avlägsen observatör.
'Vi började undra, om du skulle se tillbaka på oss från en avlägsen värld, skulle du känna igen Saturnus som en ringad planet, eller skulle det se ut som en pösig planet för en främmande astronom?' frågade Vissapragada.
En fantastisk utsikt över Saturnus från NASA:s rymdteleskop Hubble. Hur skulle Saturnus se ut för en avlägsen observatör som använder transitmetoden? Krediter: NASA, ESA, A. Simon (GSFC), M.H. Wong (University of California, Berkeley) och OPAL-teamet
I sin uppsats säger forskarna 'Ett användbart exempel att överväga är Saturnus: i medeltal över säsong, om en extern observatör mätte Saturnus storlek under transit utan att ta hänsyn till ringar, skulle de underskatta dess verkliga densitet med ungefär en faktor två.'
De byggde på det tankeexperimentet med ett verkligt experiment, eller simulering. Forskarna simulerade en ringad planet som passerade framför solen, och hur den skulle se ut för en avlägsen astronom med de kraftfulla observationsinstrumenten. De studerade också vilka typer av material i ringarna som skulle påverka observationerna.
Resultaten var blandade. Enligt deras arbete kan ringar förklara vissa puffplaneter, men inte alla. I sin tidning säger de, 'Vi finner att den här förklaringen fungerar för vissa av superpuffarna, men för andra har den svårigheter.' En del av förklaringen till dessa resultat inkluderar de särdragslösa spektra av puffplaneter.
I sin artikel säger författarna 'Här överväger vi om de kan ha stora antagna radier eftersom de i själva verket är ringade. Detta skulle naturligtvis förklara varför superpuffar hittills bara har visat karaktärslösa transitspektra.' Normalt kommer en exoplanet att ha ett spektra, men med ringar finns det inga.
Författarna fortsätter: 'Vi finner att denna hypotes kan fungera i vissa fall men inte alla. Superpuffarnas närhet till deras moderstjärnor kräver ringar med en stenig snarare än isig sammansättning.' Det sätter i sin tur en gräns för själva ringarnas radier.
Konstnärens föreställning om en ringmärkt planet som passerar framför sin värdstjärna. Bildkredit: Robin Dienel och med tillstånd från Carnegie Institution for Science.
Och gränsen för radierna betyder att ringar kan förklara vissa puffplaneter, men inte alla. Enligt tidningen 'gör det det utmanande att förklara den stora storleken på Kepler 51b, 51c, 51d och 79d om inte ringarna är sammansatta av poröst material.' De tre Kepler 51-planeterna är alla puffplaneter, och de är de tre med de lägsta kända tätheterna. Faktum är att även om de alla är planeter i storleken Jupiter, är deras massor bara några gånger större än jordens.
I ett pressmeddelande förklarade medförfattaren Piro det så här: 'Dessa planeter tenderar att kretsa i omloppsbana nära sina värdstjärnor, vilket betyder att ringarna måste vara steniga snarare än isiga. Men steniga ringradier kan bara vara så stora, såvida inte stenen är väldigt porös, så varje superbloss skulle inte passa dessa begränsningar.'
Transit av en ringad planet med samma yta som Kepler 18b och de resulterande ljuskurvorna. Den övre panelen visar ett exempel på bilderna som övervägs för transitberäkningarna med planeten på sju olika positioner. Den mittersta panelen visar den resulterande transiteringen (normaliserad till stjärnflödet) med punkterna som motsvarar var och en av planetpositionerna som visas i den övre panelen. Botten visar skillnaden mellan en ringmärkt transit och en bar stjärna med samma täckningsområde. Bildkredit: Piro och Vissapragada, 2020.
Materialet som utgör en stenig ring kan bara vara så tätt och kan bara utgöra ringar av en viss storlek. Om det är för tätt och för långt från planeten, kommer det att kombineras till satelliter istället.
Forskarparet säger att minst tre observerade puffplaneter sannolikt kan förklaras av ringar: Kepler 87c och 177c samt HIP 41378f. Kepler 87c är lika stor som Neptunus, men den är bara cirka 6,4 gånger så massiv som jorden. De andra två på deras lista har en liknande diskrepans mellan storlek och massa.
Tyvärr, liksom många frågor inom astronomi, har vi inte observationsförmågan att ta reda på om denna forskning är korrekt. Markobservationer har kommit nära för ljusa mål, men värdstjärnorna för kända puffplaneter är för svaga. (Det enda undantaget är HIP 41278 f, vilket var tillkännagavs som en ny puffplanet när författarparet slutförde detta dokument.) Liksom andra frågor inom astronomi måste vi vänta på att James Webb Space Telescope ska kasta lite ljus över frågan. Ingen aktuell observationsanläggning kan upptäcka ringar runt exoplaneter.
Om någon av dessa exoplaneter bekräftas ha ringar, kommer det att vara en viktig utveckling. Jag ska ge astronomer en mycket bättre förståelse för hur planetsystemen bildades och hur de utvecklades.