TESS opdager nye verdener i en flod af unge stjerner

Ved hjælp af observationer fra NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), et internationalt hold af astronomer har opdaget en trio af varme verdener større end Jorden, der kredser om en meget yngre version af vores sol kaldet TOI 451. Systemet ligger i den nyligt opdagede Fisk-Eridanus-strøm, en samling stjerner, der er mindre end 3 % af vores solsystems alder, der strækker sig over en tredjedel af himlen.

Planeterne blev opdaget på TESS-billeder taget mellem oktober og december 2018. Opfølgende undersøgelser af TOI 451 og dens planeter omfattede observationer foretaget i 2019 og 2020 ved hjælp af NASAs Spitzer Space Telescope, som siden er blevet pensioneret, samt mange jordbaserede faciliteter. Arkiverede infrarøde data fra NASA's Near-Earth Object Wide-Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) satellit – indsamlet mellem 2009 og 2011 under dens tidligere betegnelse, WISE – foreslår, at systemet bevarer en kølig skive af støv og stenet affald. Andre observationer viser, at TOI 451 sandsynligvis har to fjerne stjernekammerater, der kredser om hinanden langt ud over planeterne.

"Dette system tjekker en masse kasser for astronomer, sagde Elisabeth Newton, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Dartmouth College i Hannover, New Hampshire, der ledede forskningen. "Den er kun 120 millioner år gammel og kun 400 lysår væk, tillader detaljerede observationer af dette unge planetsystem. Og fordi der er tre planeter mellem to og fire gange Jordens størrelse, de laver særligt lovende mål for at teste teorier om, hvordan planetariske atmosfærer udvikler sig."

Et papir, der rapporterede resultaterne, blev offentliggjort den 14. januar i Det astronomiske tidsskrift .

Stjernestrømme dannes, når tyngdekraften i vores Mælkevejsgalakse river stjernehobe eller dværggalakser fra hinanden. De individuelle stjerner bevæger sig ud langs hobens oprindelige bane, danner en aflang gruppe, der gradvist spredes.

I 2019, et hold ledet af Stefan Meingast ved universitetet i Wien brugte data fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission til at opdage Fiskene-Eridanus-strømmen, opkaldt efter stjernebillederne, der indeholder de største koncentrationer af stjerner. Strækker sig over 14 konstellationer, strømmen er omkring 1, 300 lysår lang. Imidlertid, den oprindeligt bestemte alder for åen var meget ældre, end vi nu tror.

Senere i 2019, forskere ledet af Jason Curtis ved Columbia University i New York City analyserede TESS-data for snesevis af streammedlemmer. Yngre stjerner spinner hurtigere end deres ældre modstykker gør, og de har også en tendens til at have fremtrædende stjernepletter - mørkere, køligere områder som solpletter. Når disse pletter roterer ind og ud af vores syn, de kan producere små variationer i en stjernes lysstyrke, som TESS kan måle.

TESS-målingerne afslørede overvældende beviser for stjernepletter og hurtig rotation blandt strømmens stjerner. Baseret på dette resultat, Curtis og hans kolleger fandt ud af, at åen kun var 120 millioner år gammel - svarende til den berømte Pleiades-klynge og otte gange yngre end tidligere skøn. Massen, ungdom, og nærhed af Pisces-Eridanus-strømmen gør det til et spændende grundlæggende laboratorium til at studere stjerne- og planetdannelse og evolution.

"Takket være TESS's næsten alle himmelske dækning, målinger, der kunne understøtte en søgning efter planeter, der kredser om medlemmer af denne strøm, var allerede tilgængelige for os, da strømmen blev identificeret, sagde Jessie Christiansen, en medforfatter af papiret og den stedfortrædende videnskabsleder på NASA Exoplanet Archive, en facilitet til at forske i verdener uden for vores solsystem styret af Caltech i Pasadena, Californien. "TESS-data vil fortsætte med at give os mulighed for at skubbe grænserne for, hvad vi ved om exoplaneter og deres systemer i de kommende år."

Den unge stjerne TOI 451, bedre kendt af astronomer som CD-38 1467, ligger omkring 400 lysår væk i stjernebilledet Eridanus. Det har 95% af vores sols masse, men det er 12 % mindre, lidt køligere, og udsender 35 % mindre energi. TOI 451 roterer hver 5.1 dag, som er mere end fem gange hurtigere end Solen.

TESS opdager nye verdener ved at lede efter transit, det lille, regelmæssige dæmpninger, der opstår, når en planet passerer foran sin stjerne fra vores perspektiv. Transit fra alle tre planeter er tydelige i TESS-dataene. Newtons hold opnåede målinger fra Spitzer, der understøttede TESS-resultaterne og hjalp med at udelukke mulige alternative forklaringer. Yderligere opfølgende observationer kom fra Las Cumbres Observatory - et globalt teleskopnetværk med hovedkvarter i Goleta, Californien - og Perth Exoplanet Survey Telescope i Australien.

Selv TOI 451s fjerneste planet kredser tre gange tættere på, end Merkur nogensinde nærmer sig Solen, så alle disse verdener er ret varme og ugæstfrie for livet, som vi kender det. Temperaturestimaterne varierer fra omkring 2, 200 grader Fahrenheit (1, 200 grader Celsius) for den inderste planet til omkring 840 F (450 C) for den yderste.

TOI 451 b kredser hver 1,9 dag, er omkring 1,9 gange Jordens størrelse, og dens anslåede masse varierer fra to til 12 gange Jordens. Den næste planet ude, TOI 451 c, fuldfører et kredsløb hver 9,2 dag, er omkring tre gange større end Jorden, og rummer mellem tre og 16 gange Jordens masse. Den fjerneste og største verden, TOI 451 d, kredser om stjernen hver 16. dag, er fire gange så stor som vores planet, og vejer mellem fire og 19 jordmasser.

Astronomer forventer, at planeter så store som disse bevarer meget af deres atmosfære på trods af den intense varme fra deres nærliggende stjerne. Forskellige teorier om, hvordan atmosfærer udvikler sig, når et planetsystem når TOI 451's alder forudsiger en lang række egenskaber. At observere stjernelys, der passerer gennem atmosfæren på disse planeter, giver mulighed for at studere denne udviklingsfase og kan hjælpe med at begrænse nuværende modeller.

"Ved at måle stjernelys, der trænger igennem en planets atmosfære ved forskellige bølgelængder, vi kan udlede dets kemiske sammensætning og tilstedeværelsen af ​​skyer eller tåger i høje højder, " sagde Elisa Quintana, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "TOI 451's planeter tilbyder fremragende mål for sådanne undersøgelser med Hubble og det kommende James Webb-rumteleskop."

Observationer fra WISE viser, at systemet er usædvanligt stærkt i infrarødt lys, som er usynlig for menneskelige øjne, ved bølgelængder på 12 og 24 mikrometer. Dette tyder på tilstedeværelsen af ​​en affaldsskive, hvor stenede asteroide-lignende kroppe støder sammen og kværner sig til støv. Mens Newton og hendes team ikke kan bestemme omfanget af disken, de forestiller sig det som en diffus ring af sten og støv centreret omtrent lige så langt fra stjernen, som Jupiter er fra vores sol.

Forskerne undersøgte også en svag nabostjerne, der vises omkring to pixels væk fra TOI 451 på TESS-billeder. Baseret på Gaia-data, Newtons hold fastslog, at denne stjerne var en tyngdemæssigt bundet ledsager placeret så langt fra TOI 451, at dens lys tager 27 dage at nå dertil. Faktisk, forskerne mener, at ledsageren sandsynligvis er et binært system af to M-type dværgstjerner, hver med omkring 45 % af Solens masse og udsender kun 2 % af sin energi.