NASA-planetjægeren finder sin første verden med beboelig zone på jordstørrelse

NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) har opdaget sin første planet i jordstørrelse i sin stjernes beboelige zone, rækkevidden af ​​afstande, hvor forholdene kan være helt rigtige til at tillade tilstedeværelsen af ​​flydende vand på overfladen. Forskere bekræftede fundet, kaldet TOI 700 d, ved hjælp af NASAs Spitzer Space Telescope og har modelleret planetens potentielle miljøer for at hjælpe med at informere fremtidige observationer.

TOI 700 d er en af ​​kun få planeter på størrelse med Jorden, der er opdaget i en stjernes beboelige zone indtil videre. Andre inkluderer flere planeter i TRAPPIST-1-systemet og andre verdener opdaget af NASAs Kepler-rumteleskop.

"TESS blev designet og lanceret specifikt til at finde planeter på størrelse med Jorden, der kredser om nærliggende stjerner, sagde Paul Hertz, astrofysisk afdelingsdirektør ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Planeter omkring nærliggende stjerner er nemmest at følge op med større teleskoper i rummet og på Jorden. At opdage TOI 700 d er et nøgleresultat for TESS. At bekræfte planetens størrelse og beboelige zonestatus med Spitzer er endnu en sejr for Spitzer, når den nærmer sig slutningen af ​​videnskabelige operationer i januar."

TESS overvåger store dele af himlen, kaldet sektorer, i 27 dage ad gangen. Dette lange blik gør det muligt for satellitten at spore ændringer i stjernernes lysstyrke forårsaget af en kredsende planet, der krydser foran sin stjerne fra vores perspektiv, en begivenhed kaldet en transit.

TOI 700 er en lille, cool M-dværgstjerne, der ligger lidt over 100 lysår væk i det sydlige stjernebillede Dorado. Det er omkring 40 % af Solens masse og størrelse og omkring halvdelen af ​​dens overfladetemperatur. Stjernen optræder i 11 af de 13 sektorer TESS observerede i løbet af missionens første år, og videnskabsmænd fangede flere transitter af dens tre planeter.

Stjernen blev oprindeligt fejlklassificeret i TESS-databasen som værende mere lig vores sol, hvilket betød, at planeterne virkede større og varmere, end de i virkeligheden er. Flere forskere, inklusive Alton Spencer, en gymnasieelev, der arbejder med medlemmer af TESS-teamet, identificeret fejlen.

"Da vi rettede stjernens parametre, størrelsen af ​​dens planeter faldt, og vi indså, at den yderste var omtrent på størrelse med Jorden og i den beboelige zone, " sagde Emily Gilbert, en kandidatstuderende ved University of Chicago. "Desuden i 11 måneders data så vi ingen udbrud fra stjernen, hvilket forbedrer chancerne for, at TOI 700 d er beboelig og gør det lettere at modellere dens atmosfæriske forhold og overfladeforhold."

Gilbert og andre forskere præsenterede resultaterne ved det 235. møde i American Astronomical Society i Honolulu, og tre artikler - hvoraf Gilbert ledede en - er blevet indsendt til videnskabelige tidsskrifter.

Den inderste planet, kaldet TOI 700 b, er næsten nøjagtig på størrelse med jorden, er sandsynligvis stenet og fuldfører et kredsløb hver 10. dag. Mellemplaneten, TOI 700 c, er 2,6 gange større end Jorden – mellem Jordens og Neptuns størrelse – kredser hver 16. dag og er sandsynligvis en gasdomineret verden. TOI 700 d, den yderste kendte planet i systemet og den eneste i den beboelige zone, måler 20 % større end Jorden, kredser hver 37. dag og modtager fra sin stjerne 86 % af den energi, som Solen leverer til Jorden. Alle planeterne menes at være tidevandslåst til deres stjerne, hvilket betyder, at de roterer én gang pr. bane, så den ene side konstant bades i dagslys.

Et hold af videnskabsmænd ledet af Joseph Rodriguez, en astronom ved Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian i Cambridge, Massachusetts, anmodede om opfølgende observationer med Spitzer for at bekræfte TOI 700 d.

"I betragtning af virkningen af ​​denne opdagelse - at det er TESS's første planet i jordstørrelse i beboelig zone - ønskede vi virkelig, at vores forståelse af dette system skulle være så konkret som muligt, " sagde Rodriguez. "Spitzer så TOI 700 d transit præcis, når vi forventede det. Det er en fantastisk tilføjelse til arven fra en mission, der hjalp med at bekræfte to af TRAPPIST-1-planeterne og identificere fem mere."

Spitzer-dataene øgede forskernes tillid til, at TOI 700 d er en rigtig planet og skærpede deres målinger af dens omløbsperiode med 56 % og dens størrelse med 38 %. Det udelukkede også andre mulige astrofysiske årsager til transitsignalet, såsom tilstedeværelsen af ​​en mindre, lysdæmper ledsagerstjerne i systemet.

Rodriguez og hans kolleger brugte også opfølgende observationer fra et 1 meter jordbaseret teleskop i det globale Las Cumbres Observatory-netværk til at forbedre videnskabsmænds tillid til omløbsperioden og størrelsen af ​​TOI 700 c med 30 % og 36 %, henholdsvis.

Fordi TOI 700 er lysstærk, i nærheden, og viser ingen tegn på stjerneudbrud, systemet er en førsteklasses kandidat til præcise massemålinger af nuværende jordbaserede observatorier. Disse målinger kunne bekræfte forskernes skøn om, at de indre og ydre planeter er stenede, og den midterste planet er lavet af gas.

Future missions may be able to identify whether the planets have atmospheres and, hvis så, even determine their compositions.

While the exact conditions on TOI 700 d are unknown, scientists can use current information, like the planet's size and the type of star it orbits, to generate computer models and make predictions. Researchers at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, modeled 20 potential environments of TOI 700 d to gauge if any version would result in surface temperatures and pressures suitable for habitability.

Their 3-D climate models examined a variety of surface types and atmospheric compositions typically associated with what scientists regard to be potentially habitable worlds. Because TOI 700 d is tidally locked to its star, the planet's cloud formations and wind patterns may be strikingly different from Earth's.

One simulation included an ocean-covered TOI 700 d with a dense, carbon-dioxide-dominated atmosphere similar to what scientists suspect surrounded Mars when it was young. The model atmosphere contains a deep layer of clouds on the star-facing side. Another model depicts TOI 700 d as a cloudless, all-land version of modern Earth, where winds flow away from the night side of the planet and converge on the point directly facing the star.

When starlight passes through a planet's atmosphere, it interacts with molecules like carbon dioxide and nitrogen to produce distinct signals, called spectral lines. The modeling team, led by Gabrielle Engelmann-Suissa, a Universities Space Research Association visiting research assistant at Goddard, produced simulated spectra for the 20 modeled versions of TOI 700 d.

"Someday, when we have real spectra from TOI 700 d, we can backtrack, match them to the closest simulated spectrum, and then match that to a model, " Engelmann-Suissa said. "It's exciting because no matter what we find out about the planet, it's going to look completely different from what we have here on Earth."