Forskere opdager en ny exoplanet med en atmosfære, der er moden til undersøgelse

En international gruppe af samarbejdspartnere, herunder forskere fra NASA's Jet Propulsion Laboratory og University of New Mexico, har opdaget en ny, tempereret sub-Neptun-størrelse exoplanet med en 24-dages omløbsperiode, der kredser om en nærliggende M dværgstjerne. Den nylige opdagelse byder på spændende forskningsmuligheder takket være planetens betydelige atmosfære, lille stjerne, og hvor hurtigt systemet bevæger sig væk fra Jorden.

Forskningen, med titlen TOI-1231 b:A Temperated, Planet på størrelse med Neptun, der passerer den nærliggende M3 Dwarf NLTT 24399, vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Det astronomiske tidsskrift. exoplaneten, TOI-1231 b, blev detekteret ved hjælp af fotometriske data fra Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) og fulgt op med observationer ved hjælp af Planet Finder Spectrograph (PFS) på Magellan Clay-teleskopet ved Las Campanas-observatoriet i Chile. PFS er et sofistikeret instrument, der registrerer exoplaneter gennem deres gravitationspåvirkning på deres værtsstjerner. Mens planeterne kredser om deres værter, de målte stjernehastigheder varierer periodisk, afsløre den planetariske tilstedeværelse og information om deres masse og kredsløb.

Observationsstrategien vedtaget af NASAs TESS, som opdeler hver halvkugle i 13 sektorer, der undersøges i omkring 28 dage, producerer den mest omfattende all-him-søgning efter transitplaneter. Denne tilgang har allerede bevist sin evne til at detektere både store og små planeter omkring stjerner lige fra sollignende ned til lavmasse M-dværgstjerner. M dværgstjerner, også kendt som en rød dværg, er den mest almindelige type stjerne i Mælkevejen og udgør omkring 70 procent af alle stjerner i galaksen.

M-dværge er mindre og besidder en brøkdel af solens masse og har lav lysstyrke. Fordi en M-dværg er mindre, når en planet af en given størrelse passerer stjernen, mængden af ​​lys, der blokeres ude af planeten, er større, gør transit lettere sporbar. Forestil dig en jordlignende planet, der passerer foran en stjerne på størrelse med solen, det kommer til at blokere en lille smule lys; men hvis den passerer foran en stjerne, der er meget mindre, andelen af ​​lys, der er blokeret ude, vil være større. I en vis forstand, dette skaber en større skygge på stjernens overflade, gør planeter omkring M-dværge lettere sporbare og nemmere at studere.

Selvom det muliggør detektion af exoplaneter på tværs af himlen, TESS's undersøgelsesstrategi producerer også betydelige observationsbias baseret på omløbsperiode. Exoplaneter skal passere deres værtsstjerner mindst to gange inden for TESS's observationsområde for at blive detekteret med den korrekte periode af Science Processing Operations Center (SPOC) pipeline og Quick Look Pipeline (QLP), som søger i 2-minutters og 30-minutters kadence-TESS-data, henholdsvis. Fordi 74 procent af TESS' samlede himmeldækning kun observeres i 28 dage, størstedelen af ​​TESS-exoplaneter påvist har perioder på mindre end 14 dage. TOI-1231bs 24-dages periode, derfor, gør sin opdagelse endnu mere værdifuld.

NASA JPL videnskabsmand Jennifer Burt, avisens hovedforfatter, sammen med sine samarbejdspartnere, herunder Diana Dragomir, en adjunkt i UNM's Institut for Fysik og Astronomi, målte både planetens radius og masse.

"At arbejde med en gruppe fremragende astronomer spredt over hele kloden, vi var i stand til at samle de nødvendige data for at karakterisere værtsstjernen og måle både planetens radius og masse, " sagde Burt. "Disse værdier gav os igen mulighed for at beregne planetens bulkdensitet og opstille en hypotese om, hvad planeten er lavet af. TOI-1231 b er temmelig ens i størrelse og tæthed til Neptun, så vi tror, ​​den har en tilsvarende stor, gasformig atmosfære."

"En anden fordel ved exoplaneter, der kredser om M dværgværter, er, at vi lettere kan måle deres masser, fordi forholdet mellem planetmassen og stjernemassen også er større. Når stjernen er mindre og mindre massiv, det får detektionsmetoder til at fungere bedre, fordi planeten pludselig spiller en større rolle, da den lettere skiller sig ud i forhold til stjernen, " forklarede Dragomir. "Som skyggen kastet på stjernen. Jo mindre stjerne, jo mindre massiv stjernen, jo mere virkningen af ​​planeten kan detekteres.

"Selvom TOI 1231b er otte gange tættere på sin stjerne, end Jorden er på Solen, dens temperatur svarer til Jordens, takket være dens køligere og mindre klare værtsstjerne, " siger Dragomir. "Men, planeten i sig selv er faktisk større end jorden og en lille smule mindre end Neptun - vi kunne kalde det en under-Neptun."

Burt og Dragomir, som faktisk startede denne forskning, mens de var Fellows ved MIT's Kavli Institute, arbejdet sammen med forskere, der er specialiseret i at observere og karakterisere atmosfæren på små planeter for at finde ud af, hvilke nuværende og fremtidige rumbaserede missioner, der kunne kigge ind i TOI-1231 b's ydre lag for at informere forskerne præcist, hvilke slags gasser der hvirvler rundt på planeten. Med en temperatur omkring 330 Kelvin eller 140 grader Fahrenheit, TOI-1231b er en af ​​de fedeste, små exoplaneter, der er tilgængelige for atmosfæriske undersøgelser, der er opdaget hidtil.

Tidligere forskning tyder på, at planeter i denne seje kan have skyer højt i deres atmosfærer, hvilket gør det svært at afgøre, hvilke typer gasser der omgiver dem. Men nye observationer af en anden lille, cool planet kaldet K2-18 b brød denne trend og viste tegn på vand i atmosfæren, overraskende mange astronomer.

"TOI-1231 b er en af ​​de eneste andre planeter, vi kender til i en lignende størrelse og temperaturområde, så fremtidige observationer af denne nye planet vil lade os bestemme, hvor almindeligt (eller sjældent) det er, at vandskyer dannes omkring disse tempererede verdener, " sagde Burt.

Derudover med værtsstjernens høje nær-infrarøde (NIR) lysstyrke, det er et spændende mål for fremtidige missioner med Hubble Space Telescope (HST) og James Webb Space Telescope (JWST). Det første sæt af disse observationer, ledet af en af ​​avisens medforfattere, skulle finde sted senere på måneden ved hjælp af Hubble-rumteleskopet.

"Den lave tæthed af TOI 1231b indikerer, at den er omgivet af en betydelig atmosfære i stedet for at være en stenet planet. Men sammensætningen og omfanget af denne atmosfære er ukendt!" sagde Dragomir. "TOI1231b kunne have en stor brint eller brint-helium atmosfære, eller en tættere vanddampatmosfære. Hver af disse peger på en anden oprindelse, giver astronomer mulighed for at forstå, om og hvordan planeter dannes anderledes omkring M dværge sammenlignet med planeterne omkring vores sol, for eksempel. Vores kommende HST-observationer vil begynde at besvare disse spørgsmål, og JWST lover et endnu mere grundigt kig ind i planetens atmosfære."

En anden måde at studere planetens atmosfære på er at undersøge, om gas bliver blæst væk, ved at lede efter beviser for atomer som brint og helium, der omgiver planeten, når den passerer hen over værtsstjernens ansigt. Generelt, brintatomer er næsten umulige at opdage, fordi deres tilstedeværelse er maskeret af interstellar gas. Men dette planetstjernesystem giver en unik mulighed for at anvende denne metode på grund af, hvor hurtigt det bevæger sig væk fra Jorden.

"Et af de mest spændende resultater fra de sidste to årtiers exoplanetvidenskab er, at så langt, ingen af ​​de nye planetsystemer, vi har opdaget, ligner vores eget solsystem, " sagde Burt. "De er fulde af planeter på størrelse med Jorden og Neptun på baner meget kortere end Mercurys, så vi har ingen lokale eksempler at sammenligne dem med. Denne nye planet, vi har opdaget, er stadig mærkelig - men den er et skridt tættere på at være lidt ligesom vores nabolagsplaneter. Sammenlignet med de fleste transitplaneter, der er fundet hidtil, som ofte har brændende temperaturer i mange hundrede eller tusinder af grader, TOI-1231 b er positivt kold."

Afslutningsvis Dragomir afspejler, at "denne planet slutter sig til rækken af ​​blot to eller tre andre nærliggende små exoplaneter, som vil blive undersøgt med hver chance, vi får, og ved hjælp af en bred vifte af teleskoper, i de kommende år, så hold øje med nye TOI1231b-udviklinger!"

Denne artikel er i trykken kl Det astronomiske tidsskrift .