Det har skett ett genombrott i fallet med de saknade planeterna.

Medan planetjaktuppdrag har upptäckt tusentals världar som kretsar kring avlägsna stjärnor, det finns en stor brist på exoplaneter som mäter mellan 1,5 och två gånger jordens radie. Det är mellanvägen mellan steniga superjordar och större, gashöljda planeter som kallas mini-Neptunes. Sedan upptäckten av detta "radiegap" 2017, forskare har letat efter varför det finns så få medelstora himmelska kroppar.

Den nya ledtråden uppstod från ett nytt sätt att se på data. Ett team av forskare ledda av Flatiron Institutes Trevor David undersökte om radiegapet förändras när planeterna åldras. De delade upp exoplaneter i två grupper – unga och gamla – och omvärderade klyftan. De minst vanliga planetradierna från den yngre uppsättningen var i genomsnitt mindre än de minst vanliga från den äldre uppsättningen, de hittade. Medan den knappaste storleken för yngre planeter var cirka 1,6 gånger jordens radie, det är ungefär 1,8 gånger jordens radie vid äldre åldrar.

Innebörden, forskarna föreslår, är att vissa mini-Neptunes krymper drastiskt under miljarder år när deras atmosfärer läcker bort, lämnar bara en fast kärna efter sig. Genom att förlora sin gas, mini-Neptunes "hoppar" planetens radiegap och blir superjordar. Eftersom tiden går, radiegapet skiftar när större och större mini-Neptunes gör hoppet, förvandlas till större och större superjordar. Gapet, med andra ord, är avgrunden mellan de största superjordarna och de minsta mini-Neptunerna som fortfarande kan behålla sin atmosfär. Forskarna rapporterar sina resultat 14 maj The Astronomical Journal .

"Den övergripande punkten är att planeter inte är de statiska sfärerna av stenar och gas som vi ibland tenderar att tänka på dem som, säger David, en forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics (CCA) i New York City. I några tidigare föreslagna modeller av atmosfärsförlust, "några av dessa planeter var 10 gånger större i början av sina liv."

Fynden ger tilltro till två tidigare föreslagna misstänkta i fallet:överbliven värme från planetbildning och intensiv strålning från värdstjärnorna. Båda fenomenen tillför energi till en planets atmosfär, får gas att fly ut i rymden. "Förmodligen är båda effekterna viktiga, säger David, "men vi kommer att behöva mer sofistikerade modeller för att berätta hur mycket var och en av dem bidrar med och när" i planetens livscykel.

Uppsatsens medförfattare inkluderar CCA-forskaren Gabriella Contardo, CCA associerad forskare Ruth Angus, CCA associerad forskare Megan Bedell, CCA biträdande forskare Daniel Foreman-Mackey och CCA gästforskare Samuel Grunblatt.

Den nya studien använde data som samlats in av rymdfarkosten Kepler, som mätte ljuset från avlägsna stjärnor. När en exoplanet rör sig mellan en stjärna och jorden, det observerade ljuset från stjärnan dämpas. Genom att analysera hur snabbt planeten kretsar runt sin stjärna, stjärnans storlek, och omfattningen av dimningen, astronomer kan uppskatta exoplanetens storlek. Dessa analyser ledde i slutändan till upptäckten av radiegapet.

Forskare har tidigare föreslagit några potentiella mekanismer för att skapa klyftan, med varje process som äger rum över en annan tidsskala. Vissa trodde att gapet uppstår under planetbildning när vissa planeter bildas utan tillräckligt med gas i närheten för att blåsa upp deras storlek. I detta scenario, planetens radie, och därför radiegapet, skulle präglas vid födseln. En annan hypotes var att kollisioner med rymdstenar kunde spränga bort en planets tjocka atmosfär, förhindrar att mindre planeter samlar mycket gas. Denna effektmekanism skulle ta ungefär 10 miljoner till 100 miljoner år.

Andra potentiella mekanismer kräver mer tid. Ett förslag är att intensiv röntgenstrålning och ultraviolett strålning från en planets värdstjärna tar bort gasen med tiden. Denna process, kallas fotoevaporation, skulle ta mindre än 100 miljoner år för de flesta planeter men kan ta miljarder år för vissa. Ett annat förslag är att restvärme från en planets formation långsamt tillför energi till planetens atmosfär, får gas att fly ut i rymden under miljarder år.

David och hans kollegor började sin undersökning med att titta närmare på själva gapet. Att mäta storleken på stjärnor och exoplaneter kan vara svårt, så de rensade upp data för att bara inkludera planeter vars diametrar var säkert kända. Denna databearbetning avslöjade en tomare lucka än man tidigare trott.

Forskarna sorterade sedan planeterna utifrån om de var yngre eller äldre än 2 miljarder år. (Jorden, för jämförelse, är 4,5 miljarder år gammal.) Eftersom en stjärna och dess planeter bildas samtidigt, de bestämde varje planets ålder baserat på dess stjärnas ålder.

Resultaten tyder på att mindre mini-Neptunes inte kan hålla på sin gas. Under miljarder år, gasen tas bort, lämnar efter sig en mestadels solid superjord. Den processen tar längre tid för större mini-Neptunes – som blir de största superjordarna – men kommer inte att påverka de mest gigantiska gasplaneterna, vars gravitation är stark nog att hålla deras atmosfärer.

Det faktum att radiegapet utvecklas under miljarder år tyder på att den skyldige inte är planetariska kollisioner eller en inneboende egenhet av planetbildning. Resterande värme från planeternas insida som gradvis avlägsnar atmosfären är en bra passform, David säger, men intensiv strålning från moderstjärnorna kan också bidra, speciellt tidigt. Nästa steg är för forskare att bättre modellera hur planeter utvecklas för att ta reda på vilken förklaring som spelar en större roll. Det skulle kunna innebära att man överväger ytterligare komplexiteter som växelverkan mellan nystartade atmosfärer och planetariska magnetfält eller magmahav.