I mer än ett decennium, astronomer har letat efter planeter som kretsar kring AU Microscopii, en närliggande stjärna fortfarande omgiven av en skiva av skräp som blivit över från dess bildande. Nu rapporterar forskare som använder data från NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) och det pensionerade Spitzer Space Telescope upptäckten av en planet ungefär lika stor som Neptunus som cirkulerar den unga stjärnan på drygt en vecka.

Systemet, känd som AU Mic för kort, tillhandahåller ett unikt laboratorium för att studera hur planeter och deras atmosfärer bildas, utvecklas och interagerar med sina stjärnor.

"AU Mic är en ung, närliggande M dvärgstjärna. Den är omgiven av en stor skräpskiva där rörliga dammklumpar har spårats, och nu, tack vare TESS och Spitzer, den har en planet med en direkt storleksmätning, " sa Bryson Cale, en doktorand vid George Mason University i Fairfax, Virginia. "Det finns inget annat känt system som kontrollerar alla dessa viktiga rutor."

Den nya planeten, AU Mic b, beskrivs i en tidning medförfattare av Cale och leds av hans rådgivare Peter Plavchan, en biträdande professor i fysik och astronomi vid George Mason. Deras rapport publicerades på onsdagen, 24 juni, i journalen Natur .

AU Mic b finns med i en ny NASA-affisch tillgänglig på engelska och spanska, del av en Galaxy of Horrors-serie. Den roliga men informativa serien kom från ett samarbete mellan forskare och konstnärer och producerades av NASA:s Exoplanet Exploration Program Office.

AU Mic är en cool röd dvärgstjärna med en ålder som uppskattas till 20 miljoner till 30 miljoner år, gör det till ett fantastiskt spädbarn jämfört med vår sol, som är minst 150 gånger äldre. Stjärnan är så ung att den främst lyser av värmen som genereras när dess egen gravitation drar den inåt och komprimerar den. Mindre än 10 % av stjärnans energi kommer från fusionen av väte till helium i dess kärna, processen som driver stjärnor som vår sol.

Systemet ligger 31,9 ljusår bort i den södra stjärnbilden Microscopium. Det är en del av en närliggande samling av stjärnor som kallas Beta Pictoris Moving Group, som har fått sitt namn från en större, varmare stjärna av A-typ som hyser två planeter och är likaså omgiven av en skräpskiva.

Även om systemen har samma ålder, deras planeter är markant olika. Planeten AU Mic b kramar nästan sin stjärna, slutföra en omloppsbana var 8,5:e dag. Den väger mindre än 58 gånger jordens massa, placerar den i kategorin Neptunusliknande världar. Beta Pictoris b och c, dock, är båda minst 50 gånger mer massiva än AU Mic b och tar 21 och 3,3 år, respektive, att kretsa runt sin stjärna.

"Vi tror att AU Mic b bildades långt från stjärnan och migrerade inåt till sin nuvarande bana, något som kan hända när planeter interagerar gravitationsmässigt med en gasskiva eller med andra planeter, " sa medförfattaren Thomas Barclay, en associerad forskare vid University of Maryland, Baltimore County och en associerad projektforskare för TESS vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Däremot, Beta Pictoris b:s omloppsbana verkar inte ha migrerat mycket alls. Skillnaderna mellan dessa liknande åldrade system kan berätta mycket om hur planeter bildas och migrerar."

Att upptäcka planeter runt stjärnor som AU Mic är en speciell utmaning. Dessa stormiga stjärnor har starka magnetfält och kan täckas med stjärnfläckar — svalare, mörkare och mycket magnetiska områden som liknar solfläckar – som ofta bryter ut kraftfulla stjärnblossar. Både fläckarna och deras utslag bidrar till stjärnans ljusstyrkaförändringar.

I juli och augusti 2018, när TESS observerade AU Mic, stjärnan producerade många bloss, varav några var kraftfullare än de starkaste bloss som någonsin registrerats på solen. Teamet utförde en detaljerad analys för att ta bort dessa effekter från TESS-data.

När en planet korsar framför sin stjärna ur vårt perspektiv, en händelse som kallas transit, dess passage orsakar en tydlig dipp i stjärnans ljusstyrka. TESS övervakar stora delar av himlen, kallade sektorer, i 27 dagar åt gången. Under denna långa blick, uppdragets kameror tar regelbundet ögonblicksbilder som gör det möjligt för forskare att spåra förändringar i stjärnornas ljusstyrka.

Regelbundna nedgångar i en stjärnas ljusstyrka signalerar möjligheten av en transitplanet. Vanligtvis, det krävs minst två observerade transiter för att känna igen en planets närvaro.

"Som tur skulle ha det, den andra av tre TESS-transiter inträffade när rymdfarkosten var nära sin närmaste punkt till jorden. Vid sådana tillfällen, TESS observerar inte eftersom den är upptagen med att nedlänka all lagrad data, " sa medförfattaren Diana Dragomir, en forskarassistent vid University of New Mexico i Albuquerque. "För att fylla tomrummet, vårt team fick observationstid på Spitzer, som fångade två extra transiter under 2019 och gjorde det möjligt för oss att bekräfta omloppsperioden för AU Mic b."

Spitzer var ett multifunktionellt infrarött observatorium som fungerade från 2003 till dess avveckling den 30 januari, 2020. Uppdraget visade sig vara särskilt skickligt på att upptäcka och studera exoplaneter runt svala stjärnor. Spitzer returnerade AU Mic-observationerna under sitt sista år.

Eftersom mängden ljus som blockeras av en transit beror på planetens storlek och omloppsavstånd, TESS- och Spitzer-transiterna ger ett direkt mått på AU Mic b:s storlek. Analys av dessa mätningar visar att planeten är cirka 8 % större än Neptunus.

Observationer från instrument på markbaserade teleskop ger övre gränser för planetens massa. När en planet kretsar, dess gravitation drar i sin värdstjärna, som rör sig något som svar. Känsliga instrument på stora teleskop kan upptäcka stjärnans radiella hastighet, dess rörelse fram och tillbaka längs vår siktlinje. Kombinera observationer från W. M. Keck Observatory och NASA:s infraröda teleskopanläggning på Hawaii och European Southern Observatory i Chile, teamet drog slutsatsen att AU Mic b har en massa som är mindre än 58 jordar.

Denna upptäckt visar kraften hos TESS för att ge nya insikter om välstuderade stjärnor som AU Mic, där fler planeter kan vänta på att hittas.

"Det finns ytterligare en kandidattransithändelse i TESS-data, och TESS kommer förhoppningsvis att återbesöka AU Mic senare i år i sitt utökade uppdrag, ", sa Plavchan. "Vi fortsätter att övervaka stjärnan med exakta mätningar av radiell hastighet, så håll utkik."

I årtionden, AU Mic har fascinerat astronomer som ett möjligt hem för planeter tack vare dess närhet, ungdom och ljusa skräpskiva. Nu när TESS och Spitzer har hittat en där, berättelsen kommer full cirkel. AU Mic är ett pekstenssystem, ett närliggande laboratorium för att förstå bildandet och utvecklingen av stjärnor och planeter som kommer att studeras i decennier framöver.