21.5: Exoplanets Kila mahali - Tunachojifunza

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza kile tulichojifunza kutokana na ugunduzi wetu wa exoplanets
• Tambua aina gani ya exoplanets inayoonekana kuwa ya kawaida katika Galaxy
• Jadili aina ya mifumo ya sayari tunayopata karibu na nyota nyingine

Kabla ya kugunduliwa kwa sayari za nje, wanaastronomia wengi walitarajia kuwa mifumo mingine ya sayari ingekuwa sawa na sayari zetu wenyewe zinazofuata njia zenye mviringo, na sayari kubwa zaidi ni aina kadhaa za nyota zinazozaliwa. Mifumo hiyo ipo kwa idadi kubwa, lakini mifumo mingi ya nje na mifumo ya sayari ni tofauti sana na yale yaliyo katika mfumo wetu wa jua. Mshangao mwingine ni kuwepo kwa makundi yote ya sayari za nje ambazo hatuna katika mfumo wetu wa jua: sayari zilizo na wingi kati ya masi ya Dunia na Neptune, na sayari ambazo mara nyingi ni kubwa zaidi kuliko Jupiter.

Matokeo ya Kepler

Darubini ya Kepler imekuwa na jukumu la ugunduzi wa exoplanets nyingi, hasa kwa ukubwa mdogo, kama inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\), ambapo uvumbuzi wa Kepler hupangwa kwa manjano. Unaweza kuona ukubwa mbalimbali, ikiwa ni pamoja na sayari kikubwa zaidi kuliko Jupiter na ndogo kuliko Dunia. Kutokuwepo kwa exoplanets ya Kepler iliyogunduliwa na vipindi vya orbital zaidi ya siku mia chache ni matokeo ya maisha ya miaka 4 ya utume. (Kumbuka kwamba transits tatu sawasawa spaced lazima kuzingatiwa kujiandikisha ugunduzi.) Kwa ukubwa mdogo, ukosefu wa sayari ndogo sana kuliko radius moja ya dunia ni kutokana na ugumu wa kuchunguza transits na sayari ndogo sana. Kwa kweli, “nafasi ya ugunduzi” kwa Kepler ilikuwa imepunguzwa kwa sayari zilizo na vipindi vya orbital chini ya siku 400 na ukubwa mkubwa kuliko Mars.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Exoplanet Uvumbuzi kupitia 2015. Mhimili wima unaonyesha radius ya kila sayari ikilinganishwa na Dunia. Mstari wa usawa unaonyesha ukubwa wa Dunia, Neptune, na Jupiter. Mhimili wa mlalo unaonyesha wakati kila sayari inachukua kufanya obiti moja (na imetolewa katika siku za Dunia). Kumbuka kwamba Mercury inachukua siku 88 na Dunia inachukua kidogo zaidi ya siku 365 kuizunguka Jua. Dots za njano na nyekundu zinaonyesha sayari zilizogunduliwa na transits, na dots za bluu ni uvumbuzi kwa mbinu ya kasi ya radial (Doppler).

Mojawapo ya malengo ya msingi ya misheni ya Kepler ilikuwa kujua ni nyota ngapi zilizohudhuria sayari na hasa kukadiria mzunguko wa sayari zinazofanana na dunia. Ingawa Kepler aliangalia sehemu ndogo sana ya nyota katika Galaxy, ukubwa wa sampuli ulikuwa mkubwa wa kutosha kutekeleza hitimisho la kuvutia. Wakati uchunguzi unatumika tu kwa nyota zilizozingatiwa na Kepler, nyota hizo zinawakilisha kwa sababu, na hivyo wanaastronomia wanaweza kuzidisha kwenye Galaxy nzima.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) inaonyesha kwamba uvumbuzi Kepler ni pamoja na wengi miamba, Dunia-size sayari, mbali zaidi ya Jupiter size gesi sayari. Hii mara moja inatuambia kwamba awali Doppler ugunduzi wa Jupiters wengi moto ilikuwa sampuli upendeleo, katika athari, kutafuta isiyo ya kawaida mifumo ya sayari kwa sababu walikuwa rahisi kuchunguza. Hata hivyo, kuna tofauti moja kubwa kati ya usambazaji huu wa ukubwa ulioonekana na ule wa sayari katika mfumo wetu wa jua. Sayari za kawaida zina radii kati ya 1.4 na 2.8 ile ya Dunia, ukubwa ambao hatuna mifano katika mfumo wa jua. Hizi zimeitwa jina la utani Ulimwengu wa Dunia, wakati kundi lingine kubwa lenye ukubwa kati ya 2.8 na 4 lile la Dunia mara nyingi huitwa mini-Neptunes.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Kepler Uvumbuzi. Grafu hii ya bar inaonyesha idadi ya sayari za kila aina ya ukubwa inayopatikana kati ya uvumbuzi wa kwanza wa sayari ya Kepler 2213. Ukubwa huanzia nusu ya ukubwa wa Dunia hadi mara 20 ule wa Dunia. Kwenye mhimili wima, unaweza kuona sehemu ambayo kila aina ya ukubwa hufanya jumla. Kumbuka kwamba sayari zilizo kati ya mara 1.4 na 4 ukubwa wa Dunia zinaunda sehemu kubwa zaidi, lakini ukubwa huu hauwakilishwa kati ya sayari katika mfumo wetu wa jua.

Ni ugunduzi gani wa ajabu ni kwamba aina za kawaida za sayari katika Galaxy hazipo kabisa na mfumo wetu wa jua na hazijulikani mpaka utafiti wa Kepler. Hata hivyo, kumbuka kwamba sayari ndogo sana zilikuwa vigumu kwa vyombo vya Kepler kupata. Kwa hiyo, ili kukadiria mzunguko wa exoplanets ya ukubwa wa Dunia, tunahitaji kurekebisha kwa upendeleo huu wa sampuli. Matokeo yake ni usambazaji wa ukubwa uliorekebishwa umeonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Kumbuka kwamba katika grafu hii, tumechukua hatua ya kuonyesha si idadi ya uchunguzi wa Kepler lakini wastani wa idadi ya sayari kwa nyota kwa nyota za aina ya jua (aina za spectral F, G, na K).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Size Usambazaji wa Sayari kwa Stars Sawa na Sun. Tunaonyesha wastani wa idadi ya sayari kwa kila nyota katika kila aina ya ukubwa wa sayari. (Wastani ni chini ya moja kwa sababu baadhi ya nyota zitakuwa na sayari zero za ukubwa huo.) Usambazaji huu, uliorekebishwa kwa ubaguzi katika data ya Kepler, unaonyesha kuwa sayari za ukubwa wa Dunia zinaweza kuwa aina ya kawaida ya exoplanets.

Tunaona kwamba ukubwa wa sayari wa kawaida ni zile zilizo na radii kutoka mara 1 hadi 3 ile ya dunia—kile tulichokiita “Dunia” na “Dunia za juu.” Kila kundi hutokea katika takriban theluthi moja hadi robo moja ya nyota. Kwa maneno mengine, ikiwa tutaunganisha ukubwa huu pamoja, tunaweza kuhitimisha kuna karibu sayari moja kwa kila nyota! Na kumbuka, sensa hii inajumuisha hasa sayari zilizo na vipindi vya orbital chini ya miaka 2. Hatujui ni sayari ngapi ambazo hazijulikani zinaweza kuwepo katika umbali mkubwa kutoka nyota zao.

Ili kukadiria idadi ya sayari za ukubwa wa dunia katika Galaxy yetu, tunahitaji kukumbuka kuwa kuna nyota takriban bilioni 100 za aina za spectral F, G, na K. Kwa hiyo, tunakadiria kuwa kuna sayari za ukubwa wa dunia bilioni 30 katika Galaxy yetu. Ikiwa tunajumuisha Dunia nyingi pia, basi kunaweza kuwa na bilioni mia moja katika Galaxy nzima. Wazo hili-kwamba sayari za takribani ukubwa wa Dunia ni nyingi-hakika ni mojawapo ya uvumbuzi muhimu zaidi wa astronomia ya kisasa.

Sayari zilizo na Densities inayojulikana

Kwa exoplanets mia kadhaa, tumeweza kupima ukubwa wa sayari kutoka data ya usafiri na wingi wake kutoka data ya Doppler, kutoa makadirio ya wiani wake. Kulinganisha wiani wa wastani wa exoplanets na wiani wa sayari katika mfumo wetu wa jua hutusaidia kuelewa kama ni miamba au ya gesi katika asili. Hii imekuwa muhimu hasa kwa kuelewa muundo wa makundi mapya ya Dunia na mini-Neptunes yenye raia kati ya mara 3—10 masi ya Dunia. Uchunguzi muhimu hadi sasa ni kwamba sayari ambazo ni zaidi ya mara 10 masi ya Dunia zina bahasha kubwa za gesi (kama Uranus na Neptune) ilhali sayari za chini za molekuli huwa na miamba ya asili (kama sayari za duniani).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) kinalinganisha exoplanets zote ambazo zina vipimo vya wingi na radius. Utegemezi wa radius kwenye molekuli ya sayari unaonyeshwa pia kwa matukio machache yanayoonekana-sayari za nadharia zilizofanywa kwa chuma safi, mwamba, maji, au hidrojeni.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Exoplanets na Densities inayojulikana. Exoplanets zilizo na raia zinazojulikana na radii (duru nyekundu) zimepangwa pamoja na mistari imara inayoonyesha ukubwa wa kinadharia wa sayari safi ya chuma, mwamba, maji, na hidrojeni yenye molekuli inayoongezeka. Misa hutolewa kwa wingi wa molekuli ya Dunia. (Kwa kulinganisha, Jupiter ina wingi wa kutosha kufanya ardhi 320.) Pembetatu za kijani zinaonyesha sayari katika mfumo wetu wa jua.

Kwa raia wa chini, angalia kwamba kama wingi wa sayari hizi za nadharia huongezeka, radius pia huongezeka. Hiyo ni mantiki—kama ungekuwa ukijenga mfano wa sayari nje ya udongo, sayari yako ya toy ingeongezeka kwa ukubwa kama ulivyoongeza udongo zaidi. Hata hivyo, kwa sayari za juu zaidi (M> 1000\(M_{\text{Earth}}\)) katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\), tazama kwamba radius itaacha kuongezeka na sayari zilizo na molekuli kubwa ni ndogo sana. Hii hutokea kwa sababu kuongezeka kwa wingi pia huongeza mvuto wa sayari, hivyo kwamba vifaa vya compressible (hata mwamba ni compressible) itakuwa tightly packed, kushuka ukubwa wa sayari kubwa zaidi.

Hali halisi, sayari si nyimbo safi kama maji ya nadharia au sayari ya chuma. Dunia inajumuisha msingi wa chuma imara, msingi wa kioevu-chuma, vazi la mawe na ukanda, na safu nyembamba ya anga. Exoplanets ni sawa na uwezekano wa kutofautishwa katika tabaka compositional. Mistari ya kinadharia katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) ni viongozi tu vinavyoonyesha aina mbalimbali za nyimbo zinazowezekana.

Wanaastronomia wanaofanya kazi kwa mfano mzuri wa mambo ya ndani ya sayari za mawe hufanya dhana ya kurahisisha kwamba sayari ina tabaka mbili au tatu. Hii si kamili, lakini ni makadirio ya kuridhisha na mfano mwingine mzuri wa jinsi sayansi kazi. Mara nyingi, hatua ya kwanza katika kuelewa kitu kipya ni kupunguza uwezekano wa uwezekano. Hii inaweka hatua ya kusafisha na kuimarisha ujuzi wetu. Katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), pembetatu mbili za kijani na takribani 1\(M_{\text{Earth}}\) na 1\(R_{\text{Earth}}\) zinawakilisha Venus na Dunia. Kumbuka kwamba sayari hizi huanguka kati ya mifano ya chuma safi na sayari safi ya mwamba, kulingana na kile tunachotarajia kwa utungaji unaojulikana wa kemikali ya Venus na Dunia.

Katika kesi ya sayari za gesi, hali ni ngumu zaidi. Hidrojeni ni elementi nyepesi zaidi katika meza ya mara kwa mara, lakini wengi wa exoplanets wanaona katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) na raia kubwa kuliko 100\(M_{\text{Earth}}\) na radii kwamba zinaonyesha wao ni chini katika wiani kuliko sayari safi hidrojeni. Hidrojeni ni kipengele nyepesi zaidi, hivyo kinachotokea hapa? Kwa nini baadhi ya sayari kubwa za gesi zina radii zilizochangia ambazo ni kubwa kuliko sayari ya hidrojeni safi ya uwongo? Sayari nyingi hizi zinakaa katika njia za muda mfupi karibu na nyota ya mwenyeji ambapo zinakataza kiasi kikubwa cha nishati ya mionzi. Ikiwa nishati hii inakabiliwa ndani ya anga ya sayari, inaweza kusababisha sayari kupanua.

Sayari zinazozunguka karibu na nyota zao za mwenyeji katika njia kidogo za eccentric zina chanzo kingine cha nishati: nyota itainua mawimbi katika sayari hizi ambazo huwa na kuzunguka njia. Utaratibu huu pia husababisha uharibifu wa mawimbi ya nishati ambayo inaweza kuingiza anga. Itakuwa ya kuvutia kupima ukubwa wa sayari kubwa za gesi katika njia pana ambapo sayari zinapaswa kuwa baridi-matarajio ni kwamba isipokuwa ni mdogo sana, hizi sayari kubwa za gesi zenye baridi (wakati mwingine huitwa “Jupiters baridi”) hazipaswi kuchangiwa. Lakini bado hatuna data juu ya hizi exoplanets mbali zaidi.

Systems Exoplanetary

Tunapotafuta sayari za nje, hatutarajii kupata sayari moja tu kwa kila nyota. Mfumo wetu wa jua una sayari nane kubwa, nusu dazeni sayari kibete, na mamilioni ya vitu vidogo vinavyozunguka Jua. Ushahidi tunao wa mifumo ya sayari katika malezi pia unaonyesha kuwa zina uwezekano wa kuzalisha mifumo ya sayari nyingi.

Mfumo wa kwanza wa sayari ulipatikana karibu na nyota Upsilon Andromedae mwaka 1999 kwa kutumia njia ya Doppler, na nyingine nyingi zimepatikana tangu hapo (karibu 700 kama ya mapema 2020). Ikiwa mfumo huo wa nje ni wa kawaida, hebu tuchunguze ni mifumo gani tunayotarajia kupata data ya usafiri wa Kepler.

Sayari itapeleka nyota yake tu ikiwa Dunia iko katika ndege ya obiti ya sayari. Ikiwa sayari katika mifumo mingine hazina njia katika ndege moja, hatuwezi kuona vitu vingi vya kupitisha. Pia, kama tulivyosema hapo awali, Kepler alikuwa nyeti tu kwa sayari zilizo na vipindi vya orbital chini ya miaka 4. Tunachotarajia kutoka data ya Kepler, basi, ni ushahidi wa mifumo ya sayari ya coplanar iliyofungwa na kile ambacho kitakuwa eneo la sayari za duniani katika mfumo wetu wa jua.

Kufikia mwaka 2020, wanaastronomia walikusanya takwimu kuhusu mifumo ya karibu 700 ya aina hiyo ya nje. Wengi wana sayari mbili tu zinazojulikana, lakini chache zina nyingi kama tano, na moja ina nane (idadi sawa ya sayari kama mfumo wetu wa jua). Kwa sehemu kubwa, hizi ni mifumo ya kompakt sana na sayari zao nyingi karibu na nyota zao kuliko Mercury ni kwa Jua. Takwimu hapa chini inaonyesha mojawapo ya mifumo kubwa zaidi ya exoplanet: ile ya nyota inayoitwa Kepler-62 (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Mfumo wetu wa jua unaonyeshwa kwa kiwango sawa, kwa kulinganisha (kumbuka kuwa sayari za Kepler-62 zinachukuliwa na leseni ya kisanii; hatuna picha za kina za exoplanets yoyote).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Exoplanet System Kepler-62, na mfumo wa jua umeonyeshwa kwa Kiwango sawa. Maeneo ya kijani ni “kanda zinazoweza kukaa,” umbali wa umbali kutoka nyota ambako joto la uso linawezekana kuwa sawa na maji ya kiowevu.

Sayari zote lakini moja katika mfumo wa K-62 ni kubwa kuliko Dunia. Hizi ni super-ardhi, na mmoja wao (62d) ni katika ukubwa wa mini-neptune, ambapo inawezekana kuwa kiasi kikubwa gesi. Sayari ndogo zaidi katika mfumo huu ni kuhusu ukubwa wa Mars. Sayari tatu za ndani zinazunguka karibu sana na nyota zao, na mbili za nje tu zina mizunguko kubwa kuliko Mercury katika mfumo wetu. Maeneo ya kijani yanawakilisha kila nyota “eneo linaloweza kuishi,” ambalo ni umbali kutoka nyota ambapo tunahesabu kwamba joto la uso lingekuwa sawa na maji ya kiowevu. Eneo la Kepler-62 linalokaa ni ndogo sana kuliko ile ya Jua kwa sababu nyota inashindwa sana.

Kwa mifumo ya karibu kama hii, sayari zinaweza kuingiliana kwa mvuto kwa kila mmoja. Matokeo yake ni kwamba transits aliona kutokea dakika chache mapema au baadaye kuliko itakuwa alitabiri kutoka orbits rahisi. Uingiliano huu wa mvuto umeruhusu wanasayansi wa Kepler kuhesabu raia kwa sayari, kutoa njia nyingine ya kujifunza kuhusu exoplanets.

Kepler amegundua mifumo ya sayari ya kuvutia na isiyo ya kawaida. Kwa mfano wanaastronomia wengi walitarajia sayari kuwa mdogo kwa nyota moja. Lakini tumegundua sayari zinazunguka karibu na nyota mbili, ili sayari iweze kuona jua mbili angani mwake, kama zile za sayari tamthiliya Tatoine katika filamu za Star Wars. Kwa upande mwingine uliokithiri, sayari zinaweza kuzunguka nyota moja ya mfumo wa nyota mbili pana bila kuingiliwa kwa kiasi kikubwa kutoka nyota ya pili.

Dhana muhimu na Muhtasari

Ingawa misheni ya Kepler ni kutafuta maelfu ya exoplanets mpya, hizi ni mdogo kwa vipindi orbital ya chini ya siku 400 na ukubwa mkubwa kuliko Mars. Hata hivyo, tunaweza kutumia uvumbuzi wa Kepler ili kuongezea usambazaji wa sayari katika Galaxy yetu. Takwimu hadi sasa zinamaanisha kuwa sayari kama Dunia ni aina ya kawaida ya sayari, na kwamba kunaweza kuwa na sayari za ukubwa wa dunia bilioni 100 karibu na nyota zinazofanana na jua kwenye galaxi. Takriban mifumo ya sayari 2600 imegunduliwa kuzunguka nyota nyingine. Katika wengi wao, sayari hupangwa tofauti kuliko katika mfumo wetu wa jua.

faharasa

Super-Dunia

sayari kubwa kuliko Dunia, kwa ujumla kati ya 1.4 na 2.8 mara ukubwa wa dunia yetu

Mini-neptune

sayari ambayo ni kati kati ya sayari kubwa duniani katika mfumo wetu wa jua (Dunia) na sayari ndogo zaidi ya jovia (Neptune); kwa ujumla, mini-Neptunes ina ukubwa kati ya 2.8 na mara 4 ukubwa wa Dunia