Nieuwe gedetailleerde waarnemingen met NSF's NOIRLab-faciliteiten onthullen een jonge exoplaneet, in een baan rond een jonge ster in de Hyades-cluster, dat is ongewoon dicht voor zijn grootte en leeftijd. Met een gewicht van 25 aardmassa's, en iets kleiner dan Neptunus, het bestaan ​​van deze exoplaneet staat haaks op de voorspellingen van toonaangevende theorieën over planeetvorming.

Nieuwe waarnemingen van de exoplaneet, bekend als K2-25b, gemaakt met de WIYN 0,9-meter telescoop bij Kitt Peak National Observatory (KPNO), een programma van NSF's NOIRLab, de Hobby-Eberly Telescope bij McDonald Observatory en andere faciliteiten, nieuwe vragen oproepen over de huidige theorieën over planeetvorming. De exoplaneet bleek ongewoon dicht te zijn vanwege zijn grootte en leeftijd, wat de vraag oproept hoe hij is ontstaan. Details van de bevindingen verschijnen in Het astronomische tijdschrift .

Iets kleiner dan Neptunus, K2-25b draait in 3,5 dagen om een ​​M-dwergster - het meest voorkomende type ster in de melkweg. Het planetenstelsel is een lid van de Hyades-sterrenhoop, een nabijgelegen cluster van jonge sterren in de richting van het sterrenbeeld Stier. Het systeem is ongeveer 600 miljoen jaar oud, en bevindt zich ongeveer 150 lichtjaar van de aarde.

Planeten met afmetingen tussen die van de aarde en Neptunus zijn veelvoorkomende metgezellen van sterren in de Melkweg, ondanks het feit dat dergelijke planeten niet in ons zonnestelsel worden gevonden. Begrijpen hoe deze "sub-Neptunus" planeten zich vormen en evolueren, is een grensvraag in studies van exoplaneten.

Astronomen voorspellen dat reuzenplaneten worden gevormd door eerst een bescheiden rots-ijskern van 5-10 keer de massa van de aarde samen te stellen en zich vervolgens te hullen in een enorme gasvormige omhulling die honderden keren de massa van de aarde is. Het resultaat is een gasreus zoals Jupiter. K2-25b breekt alle regels van dit conventionele beeld:met een massa van 25 keer die van de aarde en bescheiden in omvang, K2-25b is bijna geheel kern en zeer weinig gasvormig omhulsel. Deze vreemde eigenschappen vormen twee puzzels voor astronomen. Eerst, hoe heeft K2-25b zo'n grote kern geassembleerd, vele malen de 5-10 aardmassalimiet voorspeld door de theorie? En ten tweede, met zijn hoge kernmassa - en de daaruit voortvloeiende sterke zwaartekracht - hoe kon het voorkomen dat het een significant gasvormig omhulsel ophoopte?

Het team dat K2-25b bestudeert, vond het resultaat verrassend. "K2-25b is ongebruikelijk, " zei Gudmundur Stefansson, een postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University, die het onderzoeksteam leidde. Volgens Stefansson, de exoplaneet is kleiner dan Neptunus, maar ongeveer 1,5 keer massiever. "De planeet is dicht vanwege zijn grootte en leeftijd, in tegenstelling tot andere jonge, planeten ter grootte van Neptunus die dicht bij hun moederster draaien, "zei Stefansson. "Meestal wordt waargenomen dat deze werelden lage dichtheden hebben - en sommige hebben zelfs een uitgebreide verdampingsatmosfeer. K2-25b, met de metingen in de hand, lijkt een dichte kern te hebben, ofwel rotsachtig of waterrijk, met een dunne envelop."

Om de aard en oorsprong van K2-25b te verkennen, astronomen bepaalden de massa en dichtheid. Hoewel de grootte van de exoplaneet aanvankelijk werd gemeten met de Kepler-satelliet van NASA, de groottemeting werd verfijnd met behulp van zeer nauwkeurige metingen van de WIYN 0,9-meter-telescoop bij KPNO en de 3,5-meter-telescoop bij Apache Point Observatory (APO) in New Mexico. De waarnemingen met deze twee telescopen maakten gebruik van een eenvoudige maar effectieve techniek die werd ontwikkeld als onderdeel van Stefanssons proefschrift. De techniek maakt gebruik van een slimme optische component, een Engineered Diffuser genaamd, die voor ongeveer $ 500 van de plank kan worden verkregen. Het verspreidt het licht van de ster om meer pixels op de camera te bedekken, waardoor de helderheid van de ster tijdens de doorgang van de planeet nauwkeuriger kan worden gemeten, en resulterend in een nauwkeurigere meting van de grootte van de om de aarde draaiende planeet, onder andere parameters.

"De innovatieve diffuser stelde ons in staat om de vorm van de doorgang beter te definiëren en daardoor de grootte verder te beperken, dichtheid en samenstelling van de planeet, " zei Jayadev Rajagopal, een astronoom bij NOIRLab die ook bij het onderzoek betrokken was.

Voor zijn lage kosten, de diffuser levert een buitenmaats wetenschappelijk rendement. "Telescopen met een kleinere opening, indien uitgerust met de modernste, maar goedkoop, apparatuur kan platforms zijn voor wetenschappelijke programma's met een hoge impact, ", legt Rajagopal uit. "Er zal zeer nauwkeurige fotometrie nodig zijn voor het verkennen van gaststerren en planeten in combinatie met ruimtemissies en grotere openingen vanaf de grond, en dit is een illustratie van de rol die een bescheiden 0,9-meter telescoop daarbij kan spelen."

Dankzij de waarnemingen met de diffusors die beschikbaar zijn op de WIYN 0,9-meter en APO 3,5-meter telescopen, astronomen kunnen nu met grotere precisie voorspellen wanneer K2-25b zijn moederster zal passeren. Waar voorheen transits alleen konden worden voorspeld met een timingprecisie van 30-40 minuten, ze zijn nu bekend met een precisie van 20 seconden. De verbetering is van cruciaal belang voor het plannen van vervolgwaarnemingen met faciliteiten zoals het internationale Gemini Observatorium en de James Webb Space Telescope.

Veel van de auteurs van deze studie zijn ook betrokken bij een ander exoplanetenjachtproject bij KPNO:de NEID-spectrometer op de WIYN 3,5-meter-telescoop. NEID stelt astronomen in staat om de beweging van nabije sterren met extreme precisie te meten - ongeveer drie keer beter dan de vorige generatie ultramoderne instrumenten - waardoor ze kunnen detecteren, bepaal de massa van, en karakteriseren exoplaneten zo klein als de aarde.