En ny studie ger den mest exakta uppskattningen av frekvensen som planeter som liknar jorden i storlek och avstånd från sin värdstjärna förekommer runt stjärnor som liknar vår sol. Att veta hur snabbt dessa potentiellt beboeliga planeter uppstår kommer att vara viktigt för att utforma framtida astronomiska uppdrag för att karakterisera närliggande steniga planeter runt solliknande stjärnor som kan stödja liv. En papper som beskriver modellen publiceras den 14 augusti, 2019 i The Astronomisk tidskrift .

Tusentals planeter har upptäckts av NASA:s rymdteleskop Kepler. Kepler, som lanserades 2009 och pensionerades av NASA 2018 när det tömde sin bränsleförsörjning, observerade hundratusentals stjärnor och identifierade planeter utanför vårt solsystem – exoplaneter – genom att dokumentera transithändelser. Transithändelser inträffar när en planets bana passerar mellan dess stjärna och teleskopet, blockerar en del av stjärnans ljus så att det ser ut att dämpas. Genom att mäta mängden dimning och varaktigheten mellan transiter och använda information om stjärnans egenskaper karakteriserar astronomer planetens storlek och avståndet mellan planeten och dess värdstjärna.

"Kepler upptäckte planeter med en mängd olika storlekar, kompositioner och banor, sade Eric B. Ford, professor i astronomi och astrofysik vid Penn State och en av ledarna för forskargruppen. "Vi vill använda dessa upptäckter för att förbättra vår förståelse av planetbildning och för att planera framtida uppdrag för att söka efter planeter som kan vara beboeliga. Men, att bara räkna exoplaneter med en given storlek eller omloppsavstånd är missvisande, eftersom det är mycket svårare att hitta små planeter långt från sin stjärna än att hitta stora planeter nära sin stjärna."

För att övervinna det hindret, forskarna designade en ny metod för att härleda förekomsten av planeter över ett brett spektrum av storlekar och omloppsavstånd. Den nya modellen simulerar "universum" av stjärnor och planeter och "observerar" sedan dessa simulerade universum för att bestämma hur många av planeterna som skulle ha upptäckts av Kepler i varje "universum."

"Vi använde den slutliga katalogen över planeter som identifierats av Kepler och förbättrade stjärnegenskaper från Europeiska rymdorganisationens Gaia-farkost för att bygga våra simuleringar, " sa Danley Hsu, en doktorand vid Penn State och den första författaren till tidningen. "Genom att jämföra resultaten med planeterna katalogiserade av Kepler, vi karakteriserade antalet planeter per stjärna och hur det beror på planetens storlek och omloppsavstånd. Vårt nya tillvägagångssätt gjorde det möjligt för teamet att redogöra för flera effekter som inte har inkluderats i tidigare studier."

Resultaten av denna studie är särskilt relevanta för planering av framtida rymduppdrag för att karakterisera potentiellt jordliknande planeter. Medan Kepler-uppdraget upptäckte tusentals små planeter, de flesta är så långt borta att det är svårt för astronomer att lära sig detaljer om deras sammansättning och atmosfärer.

"Forskare är särskilt intresserade av att söka efter biomarkörer - molekyler som indikerar liv - i atmosfären på planeter av ungefär jordens storlek som kretsar runt i den "bolig-zonen" av solliknande stjärnor, " sade Ford. "Den beboeliga zonen är en rad orbitala avstånd där planeterna kan stödja flytande vatten på sina ytor. Att söka efter bevis på liv på planeter i jordstorlek i den beboeliga zonen av solliknande stjärnor kommer att kräva ett stort nytt rymduppdrag."

Hur stort uppdraget behöver vara beror på mängden planeter i jordstorlek. NASA och National Academies of Science undersöker för närvarande uppdragskoncept som skiljer sig avsevärt i storlek och deras kapacitet. Om planeter i jordstorlek är sällsynta, då är de närmaste jordliknande planeterna längre bort och en stor, Ett ambitiöst uppdrag kommer att krävas för att söka efter bevis på liv på potentiellt jordliknande planeter. Å andra sidan, om planeter i jordstorlek är vanliga, då kommer det att finnas exoplaneter i jordstorlek som kretsar kring stjärnor som är nära solen och ett relativt litet observatorium kanske kan studera deras atmosfärer.

"Medan de flesta stjärnorna som Kepler observerade vanligtvis är tusentals ljusår borta från solen, Kepler observerade ett tillräckligt stort urval av stjärnor för att vi kan utföra en rigorös statistisk analys för att uppskatta hastigheten för planeter av jordstorlek i den beboeliga zonen för närliggande solliknande stjärnor." sa Hsu.

Baserat på deras simuleringar, forskarna uppskattar att planeter mycket nära jorden i storlek, från tre fjärdedelar till en och en halv gånger jordens storlek, med omloppsperioder från 237 till 500 dagar, förekommer omkring en av fyra stjärnor. Viktigt, deras modell kvantifierar osäkerheten i den uppskattningen. De rekommenderar att framtida planethittningsuppdrag planerar för en sann hastighet som sträcker sig från så låg cirka en planet för varje 33 stjärnor till så hög som nästan en planet för varje två stjärnor.

"Att veta hur ofta vi bör förvänta oss att hitta planeter av en given storlek och omloppsperiod är extremt användbart för att optimera undersökningar för exoplaneter och utformningen av kommande rymduppdrag för att maximera deras chans att lyckas, ", sa Ford. "Penn State är ledande när det gäller att kombinera state-of-the-art statistiska och beräkningsmetoder för analys av astronomiska observationer för att ta itu med den här typen av frågor. Vårt Institute for CyberScience (ICS) och Center for Astrostatistics (CASt) tillhandahåller infrastruktur och stöd som gör den här typen av projekt möjliga."

Center for Exoplanets and Habitable Worlds i Penn State inkluderar lärare och studenter som är involverade i hela spektrat av extrasolar planetforskning. Ett team från Penn State byggde Habitable Zone Planet Finder, ett instrument för att söka efter lågmassaplaneter runt kalla stjärnor, som nyligen inledde vetenskaplig verksamhet vid Hobby-Eberly Telescope, där Penn State är en grundande partner. En andra Penn State-byggd spektrograf håller på att testas innan den påbörjar en kompletterande undersökning för att upptäcka och mäta massorna av lågmassaplaneter runt solliknande stjärnor. Denna studie gör förutsägelser för vad sådana planetundersökningar kommer att hitta och kommer att bidra till att ge sammanhang för att tolka deras resultat.

Förutom Ford och Hsu, forskargruppen inkluderar Darin Ragozzine och Keir Ashby vid Brigham Young University. Forskningen stöddes av NASA; U.S. National Science Foundation (NSF); och Eberly College of Science, Institutionen för astronomi och astrofysik, Center for Exoplanets and Habitable Worlds, och Center for Astrostatistics i Penn State. Avancerade datorresurser och tjänster tillhandahölls av Penn State Institute for CyberScience, inklusive det NSF-finansierade CyberLAMP-klustret.