Sedan mitten av 1990-talet har när den första planeten runt en annan solliknande stjärna upptäcktes, astronomer har samlat på sig vad som nu är en stor samling exoplaneter - nästan tre, 500 har bekräftats hittills. I en ny Caltech-ledd studie, forskare har klassificerat dessa planeter på ungefär samma sätt som biologer identifierar nya djurarter och har lärt sig att de flesta exoplaneter som hittills hittats faller i två olika storleksgrupper:steniga jordliknande planeter och större mini-Neptuner. Teamet använde data från NASA:s Kepler -uppdrag och W. M. Keck -observatoriet.

"Detta är en stor ny division i släktträdet för planeter, analogt med att upptäcka att däggdjur och ödlor är distinkta grenar på livets träd, säger Andrew Howard, professor i astronomi vid Caltech och en huvudutredare av den nya forskningen. Huvudförfattaren till den nya studien, att publiceras i The Astronomical Journal , är Benjamin J. (B. J.) Fulton, en doktorand i Howards grupp som delar sin tid mellan Caltech och Institute of Astronomy vid University of Hawaii.

I huvudsak, deras forskning visar att vår galax har en stark preferens för två typer av planeter:steniga planeter upp till 1,75 gånger jordens storlek, och mini-Neptunus världar, som är från 2 till 3,5 gånger jordens storlek (eller något mindre än Neptunus). Vår galax gör sällan planeter med storlekar mellan dessa två grupper.

"Astronomer gillar att stoppa saker i hinkar, "säger Fulton." I det här fallet, vi har hittat två mycket distinkta skopor för majoriteten av Kepler -planeterna. "

Sedan Kepler -uppdraget lanserades 2009, den har identifierat och bekräftat mer än 2, 300 exoplaneter. Kepler specialiserar sig på att hitta planeter nära sina stjärnor, så de flesta av dessa planeter kretsar närmare än Merkurius, som cirkulerar solen på ungefär en tredjedel av avståndet mellan jorden och solen. De flesta av dessa närplaneter befanns ligga ungefär mellan storleken på jorden och Neptunus, som är ungefär 4 gånger jordens storlek. Men, tills nu, planeterna befanns ha en mängd olika storlekar som sträcker sig över detta intervall och var inte kända för att falla i två storleksgrupper.

"I solsystemet, det finns inga planeter med storlekar mellan jorden och Neptunus, säger Erik Petigura, medförfattare till studien och en Hubble postdoktor vid Caltech. "En av de stora överraskningarna från Kepler är att nästan varje stjärna har minst en planet större än jorden men mindre än Neptunus. Vi skulle verkligen vilja veta hur dessa mystiska planeter är och varför vi inte har dem i vår egen solsystem."

Kepler hittar planeter genom att leta efter avslöjande fall i stjärnljus när de passerar framför sina stjärnor. Dippens storlek är korrelerad med planetens storlek. Men för att exakt veta planeternas storlek, stjärnornas storlek måste mätas.

Caltech -teamet - tillsammans med kollegor från flera institutioner, inklusive UC Berkeley, University of Hawaii, Harvard Universitet, Princeton Universitet, och universitetet i Montreal - tittade närmare på Kepler -planets storlek med hjälp av Keck -observatoriet. De tillbringade år med att skaffa spektral data om stjärnorna som var värd för 2, 000 Kepler -planeter. De spektrala data gjorde det möjligt för dem att få exakta mätningar av storleken på Kepler -stjärnorna; dessa mätningar, i tur och ordning, tillät forskarna att bestämma mer exakta storlekar för planeterna som kretsar kring dessa stjärnor.

"Innan, att sortera planeterna efter storlek var som att försöka sortera sandkorn med blotta ögat, "säger Fulton." Att få spektra från Keck är som att gå ut och ta ett förstoringsglas. Vi kunde se detaljer som vi inte kunde förut. "

Med Kecks nya data, forskarna kunde mäta storleken på de 2, 000 planeter med 4 gånger mer precision än vad som hade uppnåtts tidigare. När de undersökte fördelningen av planetstorlekar, de hittade en överraskning:ett slående gap mellan grupperna av steniga jordarter och mini-Neptunes. Även om några planeter faller i luckan, majoriteten gör det inte.

Orsaken till klyftan är inte klar, men forskarna har kommit med två möjliga förklaringar. Den första är baserad på tanken att naturen gillar att göra många planeter ungefär lika stor som jorden. Några av dessa planeter, av skäl som inte är helt förstådda, sluta skaffa tillräckligt med gas för att "hoppa över gapet" och bli gasformiga mini-Neptunes.

"En liten bit väte och heliumgas går väldigt långt. Så, om en planet förvärvar endast 1 procent av väte och helium i massa, det räcker för att hoppa över gapet, "säger Howard." Dessa planeter är som stenar med stora gasballonger runt dem. Väte och helium som finns i ballongen bidrar inte riktigt till massan av systemet som helhet, men det bidrar till volymen på ett fantastiskt sätt, vilket gör planeterna mycket större i storlek. "

Den andra möjliga anledningen till att planeter inte landar i gapet har att göra med att planeter tappar gas. Om en planet råkar förvärva bara lite gas - rätt mängd för att placera den i gapet - kan den gasen brännas av när den utsätts för strålning från värdstjärnan.

"En planet måste ha tur för att landa i gapet, och sedan om det gjorde det det skulle nog inte stanna där, "säger Howard." Det är osannolikt att en planet har precis rätt mängd gas för att landa i gapet. Och de planeter som har tillräckligt med gas kan få sin tunna atmosfär att blåsa av. Båda scenarierna tappar troligen klyftan i planetstorlekar som vi observerar. "

I framtiden, forskarna planerar att studera innehållet i tunga element på dessa planeter för att lära sig mer om deras sammansättning. "Vi lever i en guldålder för planetarisk astronomi eftersom vi hittar tusentals planeter runt andra stjärnor, "säger Petigura." Vi arbetar för närvarande med att förstå vad dessa mini-Neptunes består av, vilket borde hjälpa till att förklara varför dessa planeter bildas så lätt runt andra stjärnor och varför de inte bildades runt solen. "

Studien, med titeln "California-Kepler Survey. III. A Gap in the Radius of Distribution of Small Planets, "finansierades av NASA och National Science Foundation.