Hvordan ændringer i stjerners hastighed gav væk de mest jordlignende planeter, der nogensinde er observeret

Når man tænker på jordlignende eksoplanetfund, Kepler rumteleskop kommer straks i tankerne. Endnu, det er ikke kun Kepler, men også jordbaseret information fra HARPS-N spektrografen, der tillod ETAEARTH -konsortiet at indhente oplysninger om disse planeter med en grad af præcision, der aldrig er nået før.

Et fælles initiativ mellem Europa og USA, ETAEARTH (Measuring Eta_Earth:Karakterisering af terrestriske planetariske systemer med Kepler, HARPS-N, og Gaia), havde til opgave at måle de dynamiske masser af terrestriske planetkandidater opdaget af Kepler -missionen. Projektet leverede over forventning, være ansvarlig for de fleste af de jordlignende planetfund, der er gjort i løbet af de sidste fem år.

Dr. Alessandro Sozzetti, koordinator for projektet og forsker ved National Institute for Astrophysics i Italien, diskuterer projektets resultater.

Der er meget igangværende forskning dedikeret til jordanaloger. Hvad får ETAEARTH til at skille sig ud?

I løbet af projektets fem år har ETAEARTH har kombineret den fantastiske fotometriske præcision af NASAs Kepler- og K2-missioner og den uovertrufne kvalitet af jordbaserede radialhastighedsmålinger med HARPS-N-spektrografen på den italienske Telescopio Nazionale Galileo (TNG) på De Kanariske Øer. Pointen var at bestemme de fysiske egenskaber af terrestriske ekstrasolare planeter i kredsløb omkring stjerner, der ligner størrelse eller er mindre end solen, med enestående nøjagtighed.

ETAEARTH-forskere havde en betydelig fordel i forhold til andre forskerhold, fordi vi havde adgang til et iøjnefaldende program for garanterede tidsobservationer (GTO) med HARPS-N@TNG, i alt 400 observationsnætter over fem år. Sådan en stor investering i teleskoptid var nøglen til projektets spektakulære succeser.

Hvad er merværdien ved at kombinere KEPLER- og HARPS-N-data?

Kepler og K2 udnytter teknikken til planetovergange:De måler faldet i lyset fra en stjerne, når en planet krydser den, afslører planetens størrelse. HARPS-N, på den anden side, måler ændringer i stjernens hastighed på grund af tyngdekraften fra en kredsende planet, giver os mulighed for at bestemme dens masse.

Fra kombinationen af ​​disse to observationer, vi kan beregne planetens densitet og bestemme dens bulk sammensætning (f.eks. stenet, vandrig, gasrige, osv.) med høj nøjagtighed.

Kan du fortælle os mere om din metode?

ETAEARTH omhyggeligt udvalgte Kepler og K2 exoplanetkandidater med lille radius baseret på deres chancer for at få deres masse målt nøjagtigt med HARPS-N. Vi designede derefter adaptive observationsstrategier, der er skræddersyet til hvert system, afhængigt for eksempel af størrelsen af ​​det signal, der søges med HARPS-N, og af kandidatens kredsløbstid.

Når en observationskampagne for et givet mål blev afsluttet, vi bestemte nøjagtigt de centrale fysiske parametre for den centrale stjerne - det vil sige dens masse og radius - da kun præcis viden om disse størrelser tillader os at udlede nøjagtige estimater af planetariske parametre.

Det næste trin i vores metode indebar en sofistikeret kombineret analyse af de tilgængelige Kepler/K2- og HARPS-N-data for at udlede alle systemets orbitale og fysiske parametre (for både enkelt- og multiple transiterende planeter). Endelig, vores målinger af planetariske tætheder blev sammenlignet med forudsigelser fra teorien til at understøtte den (de) egentlige sammensætning.

Hvad var de største vanskeligheder, du stod over for i denne proces, og hvordan overvandt du dem?

Den største udfordring, vi måtte stå over for, opstod ved at håndtere stjerneaktivitet. Dette fænomen, primært produceret af pletter på stjernens overflade, der kommer ind og ud af syne, når stjernen roterer (ligesom vores sol), introducerer komplikationer i fortolkningen af ​​dataene-især dem, der er indsamlet med HARPS-N. Det kan undertiden maskere helt eller endda efterligne et planetarisk signal. Så du tror, ​​at du ser en planet, men du måler i stedet nøjagtigt stjernen, der optræder!

Vores læringskurve var stejl, men i sidste ende lykkedes det os, ved hjælp af en todelt tilgang:For det første vi tilpassede vores observationsstrategier med HARPS-N for at sikre, at vi kunne prøve både stjerners og planetariske signaler godt nok. Med den bedst mulige tidsfordeling af vores observationer, vi udviklede derefter sofistikerede analyseværktøjer, der gjorde det muligt for os effektivt at adskille planetariske signaler og dem, der produceres af stjerneaktivitet.

Hvad ville du sige var dine vigtigste fund?

Vi kunne for første gang lære om fysikken i disse objekters interiør. Vi har især bestemt med høj præcision (20 procent eller bedre) sammensætningen af ​​70 procent af de i øjeblikket kendte planeter med masser mellem en og seks gange Jordens og med en stenet sammensætning, der ligner Jordens.

Imellem disse, vi opdagede Kepler-78b, det første planetobjekt, der har en lignende masse, radius og densitet til Jorden. Vi har også fundet de to nærmeste transiterende stenede planeter, kredser om solstjernen HD219134 kun 21 lysår væk. Denne gyldne prøve af planeter med velbegrænsede parametre tillod os at udlede, at alle tætte planeter med masser under seks jordmasser (herunder Jorden og Venus) er velbeskrevet af nøjagtigt den samme stenede sammensætning (teknisk set, det samme faste forhold mellem jern og magnesiumsilikat).

Især, ETAEARTH giver de første nogensinde begrænsninger på tætheden af ​​K2-3d, en planet i et system med flere transiteringer, der ligner jorden i masse og kredsløb inden for den beboelige zone på stjernen, der hidtil vides at være tættest på solens masse. K2-3d ser ud til at tilhøre den stadig undvigende klasse af 'vandverdener', med en tæthed noget lavere end Jordens.

Endelig, ved hjælp af oplysninger fra den fulde prøve af objekter fundet af Kepler, vi har fastslået, at hver femte sollignende stjerne er vært for en jordlignende planet, dvs. et objekt med en størrelse, der ligner Jorden, der kredser inden for den beboelige zone i dens forælderstjerne af soltype.

Hvad er dine opfølgende planer, hvis nogen?

Vores planer efter ETAEARTH vil primært fokusere på at udnytte det enorme potentiale, der er ved at blive udløst af den nye vigtige spiller på exoplanetarenaen, NASAs TESS -mission, der blev lanceret med succes for få uger siden.

TESS finder transiterende planeter over det meste af den observerbare himmel med radier, der ikke er meget større end Jordens, og omkring stjerner typisk fem til ti gange lysere end dem, der blev observeret af Kepler. Nogle af disse små planeter vil gå i kredsløb i beboelig zoneafstande fra deres centrale stjerner (typisk med lavere masse end Solen).

Vi planlægger at investere store mængder observationsressourcer fra begge halvkugler, mens vi fortsat bruger HARPS-N og den nye ultrahøjpræcise europæiske planetjæger ESPRESSO på det meget store teleskop i de chilenske Andesbjerg for at måle masser og tætheder af de bedste kandidater leveret af TESS. Hvis du gør dette, kan du øge udvalget af optimale mål dramatisk til undersøgelser af deres atmosfærer.