Nya detaljerade observationer med NSF:s NOIRLab-anläggningar avslöjar en ung exoplanet, kretsar kring en ung stjärna i Hyades-klustret, som är ovanligt tät för sin storlek och ålder. Väger in på 25 jordmassor, och något mindre än Neptunus, denna exoplanets existens står i strid med förutsägelserna från ledande teorier om planetbildning.

Nya observationer av exoplaneten, känd som K2-25b, gjord med WIYN 0,9-metersteleskopet vid Kitt Peak National Observatory (KPNO), ett program från NSF:s NOIRLab, Hobby-Eberly-teleskopet vid McDonald Observatory och andra faciliteter, väcker nya frågor om nuvarande teorier om planetbildning. Exoplaneten har visat sig vara ovanligt tät för sin storlek och ålder – vilket väcker frågan om hur den kom till. Detaljer om fynden visas i The Astronomical Journal .

Något mindre än Neptunus, K2-25b kretsar kring en M-dvärgstjärna – den vanligaste typen av stjärna i galaxen – på 3,5 dagar. Planetsystemet är en medlem av Hyades stjärnhop, en närliggande samling unga stjärnor i riktning mot stjärnbilden Oxen. Systemet är cirka 600 miljoner år gammalt, och ligger cirka 150 ljusår från jorden.

Planeter med storlekar mellan jorden och Neptunus är vanliga följeslagare till stjärnor i Vintergatan, trots att inga sådana planeter finns i vårt solsystem. Att förstå hur dessa "sub-Neptunus"-planeter bildas och utvecklas är en gränsfråga i studier av exoplaneter.

Astronomer förutspår att jätteplaneter bildas genom att först sätta ihop en blygsam sten-is-kärna på 5-10 gånger jordens massa och sedan kläda sig i ett massivt gashölje hundratals gånger jordens massa. Resultatet är en gasjätte som Jupiter. K2-25b bryter mot alla regler för denna konventionella bild:Med en massa 25 gånger jordens och blygsam i storlek, K2-25b är nästan helt kärna och mycket lite gasformigt hölje. Dessa konstiga egenskaper utgör två pussel för astronomer. Först, hur satte K2-25b ihop en så stor kärna, många gånger gränsen på 5-10 jordmassa som förutspås av teorin? Och för det andra, med sin höga kärnmassa – och därav följande starka gravitationskraft – hur undvek den att samla ett betydande gashölje?

Teamet som studerade K2-25b fann resultatet överraskande. "K2-25b är ovanligt, sa Gudmundur Stefansson, en postdoktor vid Princeton University, som ledde forskargruppen. Enligt Stefansson, exoplaneten är mindre i storlek än Neptunus men ungefär 1,5 gånger mer massiv. "Planeten är tät för sin storlek och ålder, till skillnad från andra unga, Planeter i storlek under Neptunus som kretsar nära sin värdstjärna, ", sade Stefansson. "Vanligtvis observeras dessa världar ha låga densiteter - och vissa har till och med utsträckt avdunstande atmosfär. K2-25b, med måtten i handen, verkar ha en tät kärna, antingen stenigt eller vattenrikt, med ett tunt kuvert."

För att utforska naturen och ursprunget till K2-25b, astronomer bestämde dess massa och densitet. Även om exoplanetens storlek först mättes med NASA:s Kepler-satellit, storleksmätningen förfinades med hjälp av högprecisionsmätningar från WIYN 0,9-metersteleskopet vid KPNO och 3,5-metersteleskopet vid Apache Point Observatory (APO) i New Mexico. Observationerna med dessa två teleskop utnyttjade en enkel men effektiv teknik som utvecklades som en del av Stefanssons doktorsavhandling. Tekniken använder en smart optisk komponent som kallas en Engineered Diffuser, som kan köpas från hyllan för cirka 500 dollar. Den sprider ut ljuset från stjärnan för att täcka fler pixlar på kameran, gör att stjärnans ljusstyrka under planetens transitering kan mätas mer exakt, och resulterar i en högre precision av storleken på den kretsande planeten, bland andra parametrar.

"Den innovativa diffusorn tillät oss att bättre definiera formen på transiten och därigenom ytterligare begränsa storleken, densitet och sammansättning av planeten, sa Jayadev Rajagopal, en astronom vid NOIRLab som också var involverad i studien.

För sin låga kostnad, diffusorn ger en överdimensionerad vetenskaplig avkastning. "Mindre bländarteleskop, när den är utrustad med toppmoderna, men billigt, utrustning kan vara plattformar för högeffektiva vetenskapsprogram, " förklarar Rajagopal. "Mycket exakt fotometri kommer att efterfrågas för att utforska värdstjärnor och planeter tillsammans med rymduppdrag och större öppningar från marken, och detta är en illustration av den roll som ett blygsamt 0,9-meters teleskop kan spela i den ansträngningen."

Tack vare observationerna med diffusorerna tillgängliga på WIYN 0,9-meters och APO 3,5-meters teleskop, astronomer kan nu med större precision förutsäga när K2-25b kommer att passera sin värdstjärna. Medan tidigare transiter endast kunde förutsägas med en tidsprecision på 30-40 minuter, de är nu kända med en precision på 20 sekunder. Förbättringen är avgörande för att planera uppföljande observationer med anläggningar som det internationella Gemini Observatory och James Webb Space Telescope.

Många av författarna till denna studie är också involverade i ett annat exoplanetjaktprojekt vid KPNO:NEID-spektrometern på WIYN 3,5-metersteleskopet. NEID gör det möjligt för astronomer att mäta rörelsen hos närliggande stjärnor med extrem precision - ungefär tre gånger bättre än den tidigare generationen av toppmoderna instrument - vilket gör att de kan upptäcka, bestämma massan av, och karakterisera exoplaneter så små som jorden.