Overraskende tæt exoplanet udfordrer teorier om planetdannelse

Nye detaljerede observationer med NSF's NOIRLab-faciliteter afslører en ung exoplanet, kredser om en ung stjerne i Hyades-hoben, der er usædvanligt tæt for sin størrelse og alder. Vejer ind med 25 jordmasser, og lidt mindre end Neptun, denne exoplanets eksistens er i modstrid med forudsigelserne fra førende planetdannelsesteorier.

Nye observationer af exoplaneten, kendt som K2-25b, lavet med WIYN 0,9-meter teleskopet ved Kitt Peak National Observatory (KPNO), et program fra NSF's NOIRLab, Hobby-Eberly Telescope ved McDonald Observatory og andre faciliteter, rejse nye spørgsmål om nuværende teorier om planetdannelse. Exoplaneten har vist sig at være usædvanlig tæt for dens størrelse og alder - hvilket rejser spørgsmålet om, hvordan den opstod. Detaljer om resultaterne fremgår af Det astronomiske tidsskrift .

Lidt mindre end Neptun, K2-25b kredser om en M-dværgstjerne - den mest almindelige type stjerne i galaksen - på 3,5 dage. Planetsystemet er medlem af Hyades-stjernehoben, en nærliggende hob af unge stjerner i retning af stjernebilledet Tyren. Systemet er cirka 600 millioner år gammelt, og ligger omkring 150 lysår fra Jorden.

Planeter med størrelser mellem Jorden og Neptun er almindelige ledsagere til stjerner i Mælkevejen, på trods af, at der ikke findes sådanne planeter i vores solsystem. At forstå, hvordan disse "sub-Neptun"-planeter dannes og udvikler sig, er et grænsespørgsmål i undersøgelser af exoplaneter.

Astronomer forudsiger, at gigantiske planeter dannes ved først at samle en beskeden klippe-is-kerne på 5-10 gange Jordens masse og derefter indhylle sig i en massiv gasformig kappe, der er hundredvis af gange Jordens masse. Resultatet er en gasgigant som Jupiter. K2-25b bryder alle reglerne for dette konventionelle billede:Med en masse 25 gange Jordens masse og beskeden i størrelse, K2-25b er næsten hele kerne og meget lidt gasformig kappe. Disse mærkelige egenskaber udgør to gåder for astronomer. Først, hvordan samlede K2-25b så stor en kerne, mange gange den 5-10 jordmassegrænse, som teorien forudsiger? Og for det andet, med sin høje kernemasse – og deraf følgende stærke tyngdekraft – hvordan undgik den at akkumulere en betydelig gasformig kappe?

Holdet, der studerede K2-25b, fandt resultatet overraskende. "K2-25b er usædvanligt, sagde Gudmundur Stefansson, en postdoc ved Princeton University, der ledede forskerholdet. Ifølge Stefansson, exoplaneten er mindre i størrelse end Neptun, men omkring 1,5 gange mere massiv. "Planeten er tæt for sin størrelse og alder, i modsætning til andre unge, Planeter på størrelse med under Neptun, der kredser tæt på deres værtsstjerne, " sagde Stefansson. "Normalt observeres disse verdener at have lave tætheder - og nogle har endda udvidede fordampende atmosfærer. K2-25b, med målene i hånden, synes at have en tæt kerne, enten stenet eller vandrigt, med en tynd konvolut."

For at udforske naturen og oprindelsen af ​​K2-25b, astronomer bestemte dens masse og tæthed. Selvom exoplanetens størrelse oprindeligt blev målt med NASAs Kepler-satellit, størrelsesmålingen blev forfinet ved hjælp af højpræcisionsmålinger fra WIYN 0,9-meter-teleskopet ved KPNO og 3,5-meter-teleskopet ved Apache Point Observatory (APO) i New Mexico. Observationerne med disse to teleskoper udnyttede en enkel, men effektiv teknik, der blev udviklet som en del af Stefanssons doktorafhandling. Teknikken bruger en smart optisk komponent kaldet en Engineered Diffuser, som kan fås på hylden for omkring 500 dollars. Det spreder lyset fra stjernen for at dække flere pixels på kameraet, gør det muligt at måle stjernens lysstyrke under planetens transit mere nøjagtigt, og resulterer i en højere præcision måling af størrelsen af ​​den kredsende planet, blandt andre parametre.

"Den innovative diffusor gjorde det muligt for os bedre at definere formen på transitten og derved yderligere begrænse størrelsen, tæthed og sammensætning af planeten, " sagde Jayadev Rajagopal, en astronom ved NOIRLab, som også var involveret i undersøgelsen.

For sine lave omkostninger, diffusoren leverer et overdimensioneret videnskabeligt afkast. "Mindre blændeteleskoper, når udstyret med state-of-the-art, men billigt, udstyr kan være platforme for high impact videnskabsprogrammer, " forklarer Rajagopal. "Meget nøjagtig fotometri vil være efterspurgt for at udforske værtsstjerner og planeter i takt med rummissioner og større åbninger fra jorden, og dette er en illustration af den rolle, som et beskedent 0,9 meter teleskop kan spille i den indsats."

Takket være observationerne med diffusorerne tilgængelige på WIYN 0,9-meter og APO 3,5-meter teleskoper, astronomer er nu i stand til med større præcision at forudsige, hvornår K2-25b vil passere sin værtsstjerne. Mens før transit kun kunne forudsiges med en timingpræcision på 30-40 minutter, de er nu kendt med en præcision på 20 sekunder. Forbedringen er afgørende for planlægningen af ​​opfølgende observationer med faciliteter såsom det internationale Gemini Observatory og James Webb Space Telescope.

Mange af forfatterne til denne undersøgelse er også involveret i et andet exoplanetjagtprojekt på KPNO:NEID-spektrometeret på WIYN 3,5-meter-teleskopet. NEID gør det muligt for astronomer at måle bevægelsen af ​​nærliggende stjerner med ekstrem præcision - omtrent tre gange bedre end den forrige generation af avancerede instrumenter - hvilket giver dem mulighed for at detektere, bestemme massen af, og karakterisere exoplaneter så små som Jorden.