Under det senaste decenniet har upptäckten av extrasolära planeter accelererat enormt. Hittills, 4 424 exoplaneter har bekräftats i 3 280 stjärnsystem, med ytterligare 7 453 som väntar på bekräftelse. Hittills har de flesta av dessa planeter varit gasjättar, med cirka 66% som liknar Jupiter eller Neptunus, medan ytterligare 30% har varit gigantiska stenplaneter (aka. 'Super-Earths). Endast en liten del av bekräftade exoplaneter (mindre än 4%) har varit lika stora som jorden.
Men enligt ny forskning av astronomer som arbetar på NASA Ames Research Center , är det möjligt att exoplaneter i jordstorlek är det vanligare än man tidigare trott. Som de indikerade i en nyligen genomförd studie kan det finnas dubbelt så många steniga exoplaneter i binära system som är skymd av bländningen från deras moderstjärnor. Dessa fynd kan få drastiska konsekvenser i sökandet efter potentiellt beboeliga världar eftersom ungefär hälften av alla stjärnor är binära system.
För sin studies skull undersökte forskargruppen 517 exoplanetvärdar stjärnor som identifierades av NASA:s Transiterande Exoplanet Survey Satellite (TESS) under dess tre år i drift. Jämfört med data från internationella tvillingteleskop Gemini observatorium och den WIYN 3,5-meters teleskop vid Kitt Peak National Observatory fann de att över 100 av dessa stjärnor sannolikt hade en binär följeslagare.
En artists återgivning av Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Kredit: NASAs Goddard Space Flight Center
Papperet som beskriver deras resultat har godkänts för publicering i Astronomisk tidskrift . Dr Kathryn Lester, en postdoktor vid NASA Ames Research Center, ledde forskningsansträngningen med hjälp av kollegor från NASA Ames, U.S. Naval Observatory , den NASA Exoplanet Science Institute , den NSF:s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), den Lowell Observatory , såväl som Georgia State och Standford University.
Problemet med transiter
Hittills har de allra flesta bekräftade exoplaneter ( ungefär 75 % ) har upptäckts med hjälp av Transitmetod (alias Transit Photometry). Detta består av att observera stjärnor för periodiska sänkningar i deras ljusstyrka, vilket kan vara resultatet av en planet som passerar framför deras ansikte (transiterar) i förhållande till observatören. Liksom sin föregångare, Kepler , TESSförlitar sig på Transitmetoden för att bestämma närvaron av exoplanetsystem runt tusentals stjärnor vid varje given tidpunkt.
Tyvärr har binära följeslagare alltid varit utmanande när det gäller att upptäcka transiterande exoplaneter. Transitfotometri kräver att stjärnsystem observeras på kanten för att exoplaneter ska kunna detekteras. Men i binära stjärnsystem, där två stjärnor kretsar runt varandra, är sänkningar i ljusstyrka en regelbunden förekomst och är resultatet av att den ena följeslagaren förmörkar den andra.
Som ett resultat kan det vara mycket svårt att upptäcka mindre exoplaneter som kretsar närmare sina stjärnor, vilket är där astronomer förväntar sig att hitta steniga planeter i stjärnornas circumsolar Habitable Zone (HZ). Istället kommer användningen av Transit-metoden med binära stjärnsystem sannolikt att avslöja endast gasjättar och/eller planeter som har avlägsna banor från sina moderstjärnor. Det är därför Dr Lester och hennes kollegor gav sig i kast med att avgöra om några av exoplanetstjärnorna faktiskt var binära.
Söker efter Stellar Companions
Teamet förlitade sig på en teknik som kallas Speckle Imaging , där ett stort antal kortexponeringsbilder kombineras och analyseras för att kraftigt förbättra upplösningen hos markbaserade teleskop (liknar interferometri). Av de 517 TESS-objekt av intresse (TOI) de undersökte fann de att 73 exoplanetvärdstjärnor som tidigare hade dykt upp som en enda ljuspunkt faktiskt hade en stjärnkompanjon.
De fann på samma sätt att 29 TOI-stjärnor som tidigare hade producerat falska positiva resultat också hade fantastiska följeslagare. Sa Dr Lester i ett nyligen genomfört NOIRLab pressmeddelande :
'Med Gemini-observatoriets 8,1-metersteleskop fick vi extremt högupplösta bilder av exoplanetvärdstjärnor och detekterade stjärnföljeslagare vid mycket små separationer... Eftersom ungefär 50 % av stjärnorna finns i binära system, kan vi missa upptäckten av - och chansen att studera - många jordliknande planeter.'
Nästa steg var att ta exoplaneterna som har upptäckts i dessa system och jämföra dem med storleken på exoplaneter som upptäckts i enstjärniga system. Utifrån detta kunde teamet visa att medan rymdfarkosten TESS kunde identifiera både Jupiter och Neptunusliknande ('stora') exoplaneter och superjordar och jordliknande ('små') exoplaneter som kretsade kring enstaka stjärnor, fann den bara stora planeter i binära system.
Dessa resultat antyder att det kan finnas en population av jordstora exoplaneter i binära system som har blivit oupptäckta av uppdrag somTESS,Kepler, och andra exoplanetundersökningar som förlitar sig på Transit Photometry. Under en tid har forskare misstänkt att transitundersökningar har saknat små planeter i binära system på grund av risken för störningar från en medföljande stjärna.
Denna nya studie ger dock det första observationsstödet för denna misstanke samtidigt som den visar vilken typ av exoplaneter som påverkas. Det är också betydelsefullt på grund av hur transitmetoden har setts som det mest effektiva sättet att upptäcka exoplaneter hittills – och står för 3343 av de 4424 bekräftade exoplaneterna. Men om dessa resultat är korrekta kan det finnas upp till 1600 steniga exoplaneter som missades med transitundersökningar.
Detta innebär att astronomer framöver kommer att behöva förlita sig på en mängd olika observationstekniker innan de drar slutsatsen att ett binärt system inte har några jordliknande planeter. Som Dr Lester sa:
'Eftersom ungefär 50 % av stjärnorna finns i binära system, kan vi missa upptäckten av - och chansen att studera - många jordliknande planeter. Astronomer måste veta om en stjärna är singel eller binär innan de hävdar att det inte finns några små planeter i det systemet.Om det är singel kan man säga att det inte finns några små planeter. Men om värden är i en binär, skulle du inte veta om en liten planet är gömd av följeslagaren eller inte existerar alls. Du skulle behöva fler observationer med en annan teknik för att ta reda på det.'
'Vi har visat att det är svårare att hitta planeter i jordstorlek i binära system eftersom små planeter går vilse i bländningen från sina två förälderstjärnor', tillade han. Dr Steve Howell , ledare för speckle imaging ansträngning vid NASA Ames och en medförfattare på tidningen. 'Deras transiter 'fylls i' av ljuset från den medföljande stjärnan. Detta är en viktig upptäckt i exoplanetarbete. Resultaten kommer att hjälpa teoretiker att skapa sina modeller för hur planeter bildas och utvecklas i dubbelstjärniga system.'
En illustration av det cirkumbinära planetsystemet Kepler-47. Kredit: NASA/JPL Caltech/T. Pyle
En annan aspekt av studien involverade Dr Lester och hennes kollegor som analyserade avståndet mellan binära följeslagare i system där TESS upptäckt stora planeter. Vad de fann var att exoplanet-värdpar vanligtvis låg längre ifrån varandra än binära par som inte har några kända exoplaneter. Detta kan tolkas som en indikation på att planeter inte bildas runt stjärnor som har nära stjärnkompanjoner.
I framtiden kan detta användas för att lägga ytterligare begränsningar på var astronomer ska leta efter steniga planeter. Speckle imaging undersökningen utförd av Dr. Lester och hennes team illustrerar också hur exoplanet studier övergår från exoplanet upptäckt till karakterisering. Förutom att karakterisera exoplanetatmosfärer och ytmiljöer, finns det också den viktiga uppgiften att karakterisera planetsystem.
Genom att veta vilka typer av stjärnor som är mest sannolikt att stödja steniga exoplaneter, kan astronomer och astrobiologer begränsa sökandet efter planeter som är mest mottagliga för 'livet som vi känner det.'
Vidare läsning: SVART Lab