Planet på størrelse med Neptun opdaget i kredsløb om unge, nærliggende stjerne

I mere end et årti, astronomer har søgt efter planeter, der kredser om AU Microscopii, en nærliggende stjerne, der stadig er omgivet af en skive af affald, der er tilbage fra dens dannelse. Nu rapporterer forskere, der bruger data fra NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) og det pensionerede Spitzer Space Telescope, opdagelsen af ​​en planet omtrent lige så stor som Neptun, der kredser om den unge stjerne på lidt over en uge.

Systemet, kendt som AU Mic for kort, giver et unikt laboratorium til at studere, hvordan planeter og deres atmosfærer dannes, udvikle sig og interagere med deres stjerner.

"AU Mic er en ung, nærliggende M dværgstjerne. Det er omgivet af en enorm affaldsskive, hvori bevægelige støvklumper er blevet sporet, og nu, tak til TESS og Spitzer, den har en planet med en direkte størrelsesmåling, " sagde Bryson Cale, en doktorgradsstuderende ved George Mason University i Fairfax, Virginia. "Der er intet andet kendt system, der tjekker alle disse vigtige felter."

Den nye planet, AU Mic b, er beskrevet i et papir medforfattet af Cale og ledet af hans rådgiver Peter Plavchan, en assisterende professor i fysik og astronomi hos George Mason. Deres rapport blev offentliggjort onsdag d. 24. juni, i journalen Natur .

AU Mic b er vist i en ny NASA-plakat tilgængelig på engelsk og spansk, del af en Galaxy of Horrors-serie. Den sjove, men informative serie er et resultat af et samarbejde mellem videnskabsmænd og kunstnere og blev produceret af NASA's Exoplanet Exploration Program Office.

AU Mic er en kølig rød dværgstjerne med en alder anslået til 20 millioner til 30 millioner år, gør det til et stjernespædbarn sammenlignet med vores sol, som er mindst 150 gange ældre. Stjernen er så ung, at den primært skinner af den varme, der genereres, når dens egen tyngdekraft trækker den indad og komprimerer den. Mindre end 10 % af stjernens energi kommer fra fusionen af ​​brint til helium i dens kerne, den proces, der driver stjerner som vores sol.

Systemet er placeret 31,9 lysår væk i det sydlige stjernebillede Microscopium. Det er en del af en nærliggende samling af stjerner kaldet Beta Pictoris Moving Group, som har fået sit navn fra en større, varmere A-type stjerne, der huser to planeter og ligeledes er omgivet af en affaldsskive.

Selvom systemerne har samme alder, deres planeter er markant forskellige. Planeten AU Mic b krammer næsten sin stjerne, fuldføre en bane hver 8,5 dag. Den vejer mindre end 58 gange Jordens masse, placerer den i kategorien Neptun-lignende verdener. Beta Pictoris b og c, imidlertid, er begge mindst 50 gange mere massive end AU Mic b og tager 21 og 3,3 år, henholdsvis, at kredse om deres stjerne.

"Vi tror, ​​at AU Mic b dannede sig langt fra stjernen og migrerede indad til dens nuværende kredsløb, noget, der kan ske, når planeter interagerer gravitationsmæssigt med en gasskive eller med andre planeter, " sagde medforfatter Thomas Barclay, en associeret forsker ved University of Maryland, Baltimore County og en associeret projektforsker for TESS ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Derimod Beta Pictoris b's kredsløb ser ikke ud til at have migreret meget overhovedet. Forskellene mellem disse tilsvarende ældne systemer kan fortælle os meget om, hvordan planeter dannes og migrerer."

At opdage planeter omkring stjerner som AU Mic udgør en særlig udfordring. Disse stormfulde stjerner har stærke magnetfelter og kan dækkes med stjernepletter - køligere, mørkere og stærkt magnetiske områder, der ligner solpletter - der ofte udbryder kraftige stjerneudbrud. Både pletterne og deres blusser bidrager til stjernens lysstyrkeændringer.

I juli og august 2018 da TESS observerede AU Mic, stjernen frembragte adskillige blus, hvoraf nogle var kraftigere end de stærkeste udbrud nogensinde registreret på Solen. Holdet udførte en detaljeret analyse for at fjerne disse effekter fra TESS-dataene.

Når en planet krydser foran sin stjerne fra vores perspektiv, en begivenhed kaldet en transit, dens passage forårsager et tydeligt fald i stjernens lysstyrke. TESS overvåger store dele af himlen, kaldet sektorer, i 27 dage ad gangen. Under dette lange blik, missionens kameraer fanger regelmæssigt snapshots, der gør det muligt for forskere at spore ændringer i stjernernes lysstyrke.

Regelmæssige fald i en stjernes lysstyrke signalerer muligheden for en transitplanet. Som regel, det kræver mindst to observerede transitter at genkende en planets tilstedeværelse.

"Som heldet ville have det, den anden af ​​tre TESS-passager fandt sted, da rumfartøjet var tættest på Jorden. På sådanne tidspunkter, TESS observerer ikke, fordi den har travlt med at downlinke alle de lagrede data, " sagde medforfatter Diana Dragomir, en forskningsassistent ved University of New Mexico i Albuquerque. "For at udfylde hullet, vores hold fik tildelt observationstid på Spitzer, som fangede yderligere to transitter i 2019 og gjorde det muligt for os at bekræfte omløbsperioden for AU Mic b."

Spitzer var et multifunktionelt infrarødt observatorium, der fungerede fra 2003 indtil dets nedlukning den 30. januar, 2020. Missionen viste sig at være særlig dygtig til at opdage og studere exoplaneter omkring kølige stjerner. Spitzer returnerede AU Mic-observationerne i løbet af dets sidste år.

Fordi mængden af ​​lys blokeret af en transit afhænger af planetens størrelse og kredsløbsafstand, TESS og Spitzer transits giver et direkte mål for AU Mic b's størrelse. Analyse af disse målinger viser, at planeten er omkring 8 % større end Neptun.

Observationer fra instrumenter på jordbaserede teleskoper giver øvre grænser for planetens masse. Når en planet kredser, dens tyngdekraft trækker i dens værtsstjerne, som bevæger sig lidt som reaktion. Følsomme instrumenter på store teleskoper kan registrere stjernens radiale hastighed, dens bevægelse frem og tilbage langs vores synslinje. Ved at kombinere observationer fra W. M. Keck Observatory og NASA's InfraRed Telescope Facility på Hawaii og European Southern Observatory i Chile, holdet konkluderede, at AU Mic b har en masse mindre end 58 Jorder.

Denne opdagelse viser TESS's kraft til at give ny indsigt i velstuderede stjerner som AU Mic, hvor flere planeter måske venter på at blive fundet.

"Der er en yderligere kandidattransithændelse set i TESS-dataene, og TESS vil forhåbentlig gense AU Mic senere på året i sin udvidede mission, " sagde Plavchan. "Vi fortsætter med at overvåge stjernen med præcise målinger af radial hastighed, så følg med."

I årtier, AU Mic har fascineret astronomer som et muligt hjemsted for planeter takket være dens nærhed, ungdom og lyse affaldsskive. Nu hvor TESS og Spitzer har fundet en der, historien kommer fuld cirkel. AU Mic er et prøvestenssystem, et nærliggende laboratorium til at forstå dannelsen og udviklingen af ​​stjerner og planeter, som vil blive undersøgt i årtier fremover.