Een internationale groep medewerkers, waaronder wetenschappers van NASA's Jet Propulsion Laboratory en de University of New Mexico, heb een nieuwe ontdekt, gematigde exoplaneet ter grootte van Neptunus met een omlooptijd van 24 dagen rond een nabijgelegen M-dwergster. De recente ontdekking biedt spannende onderzoeksmogelijkheden dankzij de substantiële atmosfeer van de planeet, kleine ster, en hoe snel het systeem zich van de aarde verwijdert.

Het onderzoek, getiteld TOI-1231 b:Een gematigde, Planeet ter grootte van Neptunus passeert de nabijgelegen M3-dwerg NLTT 24399, zal worden gepubliceerd in een toekomstige uitgave van Het Astronomisch Tijdschrift. de exoplaneet, TOI-1231b, werd gedetecteerd met behulp van fotometrische gegevens van de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) en gevolgd door waarnemingen met behulp van de Planet Finder Spectrograph (PFS) op de Magellan Clay-telescoop van het Las Campanas Observatorium in Chili. De PFS is een geavanceerd instrument dat exoplaneten detecteert door hun zwaartekrachtsinvloed op hun gastheersterren. Terwijl de planeten om hun gastheren draaien, de gemeten stellaire snelheden variëren periodiek, het onthullen van de planetaire aanwezigheid en informatie over hun massa en baan.

De observatiestrategie van NASA's TESS, die elk halfrond verdeelt in 13 sectoren die gedurende ongeveer 28 dagen worden onderzocht, produceert de meest uitgebreide zoektocht door de hele hemel naar transiterende planeten. Deze benadering heeft al bewezen dat het in staat is om zowel grote als kleine planeten rond sterren te detecteren, variërend van zonachtige tot lichte M-dwergsterren. M dwergsterren, ook wel een rode dwerg genoemd, zijn het meest voorkomende type ster in de Melkweg en vormen zo'n 70 procent van alle sterren in de melkweg.

M-dwergen zijn kleiner en bezitten een fractie van de massa van de zon en hebben een lage helderheid. Omdat een M-dwerg kleiner is, wanneer een planeet van een bepaalde grootte de ster passeert, de hoeveelheid licht die door de planeet wordt tegengehouden is groter, waardoor de doorvoer gemakkelijker op te sporen is. Stel je een aardachtige planeet voor die voor een ster ter grootte van de zon passeert, het gaat een klein beetje licht blokkeren; maar als het voor een ster passeert die een stuk kleiner is, het deel van het licht dat wordt geblokkeerd, zal groter zijn. In zekere zin, hierdoor ontstaat er een grotere schaduw op het oppervlak van de ster, waardoor planeten rond M-dwergen gemakkelijker te detecteren en gemakkelijker te bestuderen zijn.

Hoewel het de detectie van exoplaneten aan de hemel mogelijk maakt, De onderzoeksstrategie van TESS produceert ook significante waarnemingsbias op basis van de omlooptijd. Exoplaneten moeten hun gastheersterren minstens twee keer passeren binnen de waarnemingsperiode van TESS om met de juiste periode te worden gedetecteerd door de Science Processing Operations Center (SPOC)-pijpleiding en de Quick Look-pijplijn (QLP), die de 2-minuten en 30-minuten cadans TESS-gegevens zoeken, respectievelijk. Omdat 74 procent van de totale luchtdekking van TESS slechts 28 dagen wordt waargenomen, de meeste gedetecteerde TESS-exoplaneten hebben perioden van minder dan 14 dagen. TOI-1231b's periode van 24 dagen, daarom, maakt zijn ontdekking nog waardevoller.

NASA JPL-wetenschapper Jennifer Burt, de hoofdauteur van het artikel, samen met haar medewerkers, waaronder Diana Dragomir, een assistent-professor aan de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van UNM, zowel de straal als de massa van de planeet gemeten.

"Werken met een groep uitstekende astronomen verspreid over de hele wereld, we waren in staat om de gegevens te verzamelen die nodig zijn om de moederster te karakteriseren en zowel de straal als de massa van de planeet te meten, " zei Burt. "Die waarden stelden ons op hun beurt in staat om de bulkdichtheid van de planeet te berekenen en te veronderstellen waar de planeet van gemaakt is. TOI-1231 b is vrij gelijkaardig in grootte en dichtheid aan Neptunus, dus we denken dat het een even grote, gasvormige atmosfeer."

"Een ander voordeel van exoplaneten die om M-dwerggastheren draaien, is dat we hun massa gemakkelijker kunnen meten omdat de verhouding van de planeetmassa tot de stellaire massa ook groter is. Als de ster kleiner en minder zwaar is, het zorgt ervoor dat detectiemethoden beter werken omdat de planeet ineens een grotere rol speelt omdat hij gemakkelijker opvalt ten opzichte van de ster, ' legde Dragomir uit. 'Als de schaduw op de ster. Hoe kleiner de ster, hoe minder zwaar de ster, hoe meer het effect van de planeet kan worden gedetecteerd.

"Hoewel TOI 1231b acht keer dichter bij zijn ster staat dan de aarde bij de zon, de temperatuur is vergelijkbaar met die van de aarde, dankzij zijn koelere en minder heldere gastster, " zegt Dragomir. "Echter, de planeet zelf is eigenlijk groter dan de aarde en een beetje kleiner dan Neptunus - we zouden het een sub-Neptunus kunnen noemen."

Burt en Dragomir, die dit onderzoek daadwerkelijk begonnen terwijl ze Fellows waren aan het Kavli Institute van MIT, werkte samen met wetenschappers die gespecialiseerd zijn in het observeren en karakteriseren van de atmosferen van kleine planeten om erachter te komen welke huidige en toekomstige ruimtemissies in de buitenste lagen van TOI-1231b zouden kunnen kijken om onderzoekers precies te informeren welke soorten gassen er rond de planeet wervelen. Met een temperatuur rond de 330 Kelvin of 140 graden Fahrenheit, TOI-1231b is een van de coolste, kleine exoplaneten die tot nu toe toegankelijk zijn voor atmosferische studies.

Eerder onderzoek suggereert dat planeten die zo koel zijn, wolken hoog in hun atmosfeer kunnen hebben, wat het moeilijk maakt om te bepalen welke soorten gassen hen omringen. Maar nieuwe waarnemingen van een andere kleine, koele planeet genaamd K2-18 b brak deze trend en toonde bewijs van water in de atmosfeer, verrassend veel astronomen.

"TOI-1231 b is een van de weinige andere planeten die we kennen in een vergelijkbare grootte en temperatuurbereik, dus toekomstige observaties van deze nieuwe planeet zullen ons laten bepalen hoe vaak (of zeldzaam) het is dat waterwolken zich vormen rond deze gematigde werelden, ' zei Bert.

Aanvullend, met de hoge nabij-infrarood (NIR) helderheid van zijn moederster, het is een opwindend doelwit voor toekomstige missies met de Hubble Space Telescope (HST) en de James Webb Space Telescope (JWST). De eerste reeks van deze observaties, onder leiding van een van de co-auteurs van het artikel, zou later deze maand moeten plaatsvinden met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop.

"De lage dichtheid van TOI 1231b geeft aan dat het wordt omringd door een substantiële atmosfeer in plaats van een rotsachtige planeet te zijn. Maar de samenstelling en omvang van deze atmosfeer zijn onbekend!" zei Dragomir. "TOI1231b kan een grote waterstof- of waterstof-heliumatmosfeer hebben, of een dichtere waterdampatmosfeer. Elk van deze zou wijzen op een andere oorsprong, waardoor astronomen kunnen begrijpen of en hoe planeten zich anders vormen rond M-dwergen in vergelijking met de planeten rond onze zon, bijvoorbeeld. Onze komende HST-waarnemingen zullen deze vragen beginnen te beantwoorden, en JWST belooft een nog grondiger onderzoek naar de atmosfeer van de planeet."

Een andere manier om de atmosfeer van de planeet te bestuderen is om te onderzoeken of gas wordt weggeblazen, door te zoeken naar bewijs van atomen zoals waterstof en helium die de planeet omringen terwijl deze over het gezicht van zijn moederster beweegt. Over het algemeen, waterstofatomen zijn bijna onmogelijk te detecteren omdat hun aanwezigheid wordt gemaskeerd door interstellair gas. Maar dit planeet-stersysteem biedt een unieke kans om deze methode toe te passen vanwege de snelheid waarmee het van de aarde weg beweegt.

"Een van de meest intrigerende resultaten van de laatste twee decennia van exoplaneetwetenschap is dat, zo ver, geen van de nieuwe planetenstelsels die we hebben ontdekt lijkt op ons eigen zonnestelsel, "zei Burt. "Ze zitten vol met planeten tussen de grootte van de aarde en Neptunus in banen die veel korter zijn dan die van Mercurius, dus we hebben geen lokale voorbeelden om ze mee te vergelijken. Deze nieuwe planeet die we hebben ontdekt is nog steeds raar, maar het is een stap dichterbij om enigszins op onze buurtplaneten te lijken. Vergeleken met de meeste transiterende planeten die tot nu toe zijn ontdekt, die vaak verzengende temperaturen hebben in de vele honderden of duizenden graden, TOI-1231 b is positief ijskoud."

Tot slot, Dragomir geeft aan dat "deze planeet zich voegt bij slechts twee of drie andere nabijgelegen kleine exoplaneten die met elke kans die we krijgen en met behulp van een breed scala aan telescopen zullen worden onderzocht, voor de komende jaren, dus houd de nieuwe TOI1231b-ontwikkelingen in de gaten!"

Dit artikel is in de pers op Het astronomische tijdschrift .