Med hjälp av observationer från NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), ett internationellt team av astronomer har upptäckt en trio av heta världar större än jorden som kretsar kring en mycket yngre version av vår sol som heter TOI 451. Systemet finns i den nyligen upptäckta Fiskarna-Eridanus-strömmen, en samling stjärnor som är mindre än 3 % av vårt solsystems ålder som sträcker sig över en tredjedel av himlen.

Planeterna upptäcktes i TESS-bilder tagna mellan oktober och december 2018. Uppföljningsstudier av TOI 451 och dess planeter inkluderade observationer gjorda 2019 och 2020 med hjälp av NASA:s Spitzer Space Telescope, som sedan har gått i pension, samt många markbaserade anläggningar. Arkiverad infraröd data från NASA:s Near-Earth Object Wide-Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) satellit – samlad in mellan 2009 och 2011 under dess tidigare namn, WISE – föreslår att systemet behåller en sval skiva av damm och stenigt skräp. Andra observationer visar att TOI 451 sannolikt har två avlägsna stjärnkamrater som kretsar runt varandra långt bortom planeterna.

"Det här systemet kontrollerar många rutor för astronomer, sa Elisabeth Newton, en biträdande professor i fysik och astronomi vid Dartmouth College i Hannover, New Hampshire, som ledde forskningen. "Den är bara 120 miljoner år gammal och bara 400 ljusår bort, tillåter detaljerade observationer av detta unga planetsystem. Och eftersom det finns tre planeter mellan två och fyra gånger jordens storlek, de gör särskilt lovande mål för att testa teorier om hur planetariska atmosfärer utvecklas."

En tidning som rapporterade resultaten publicerades den 14 januari in The Astronomical Journal .

Stjärnströmmar bildas när gravitationen i vår Vintergatans galax river isär stjärnhopar eller dvärggalaxer. De enskilda stjärnorna rör sig ut längs klustrets ursprungliga bana, bildar en långsträckt grupp som gradvis sprids.

Under 2019, ett team ledd av Stefan Meingast vid universitetet i Wien använde data från Europeiska rymdorganisationens Gaia-uppdrag för att upptäcka strömmen Pisces-Eridanus, uppkallad efter de stjärnbilder som innehåller de största koncentrationerna av stjärnor. Sträcker sig över 14 konstellationer, strömmen är ungefär 1, 300 ljusår lång. Dock, åldern som ursprungligen bestämdes för bäcken var mycket äldre än vi nu tror.

Senare under 2019, forskare under ledning av Jason Curtis vid Columbia University i New York City analyserade TESS-data för dussintals streammedlemmar. Yngre stjärnor snurrar snabbare än sina äldre motsvarigheter, och de tenderar också att ha framträdande stjärnfläckar – mörkare, kallare områden som solfläckar. När dessa fläckar roterar in och ut ur vår syn, de kan producera små variationer i en stjärnas ljusstyrka som TESS kan mäta.

TESS-mätningarna avslöjade överväldigande bevis på stjärnfläckar och snabb rotation bland strömmens stjärnor. Baserat på detta resultat, Curtis och hans kollegor fann att strömmen bara var 120 miljoner år gammal - liknande den berömda Pleiades-klustret och åtta gånger yngre än tidigare uppskattningar. Massan, ungdom, och närheten till strömmen Pisces-Eridanus gör det till ett spännande grundläggande laboratorium för att studera stjärn- och planetbildning och evolution.

"Tack vare TESSs täckning nästan överallt, mätningar som kunde stödja en sökning efter planeter som kretsar kring medlemmar av denna ström var redan tillgängliga för oss när strömmen identifierades, sa Jessie Christiansen, en medförfattare till tidningen och biträdande vetenskapsledare vid NASA Exoplanet Archive, en anläggning för att forska i världar bortom vårt solsystem som hanteras av Caltech i Pasadena, Kalifornien. "TESS-data kommer att fortsätta att tillåta oss att tänja på gränserna för vad vi vet om exoplaneter och deras system i många år framöver."

Den unga stjärnan TOI 451, mer känd för astronomer som CD-38 1467, ligger cirka 400 ljusår bort i stjärnbilden Eridanus. Den har 95% av vår sols massa, men det är 12 % mindre, lite svalare, och avger 35 % mindre energi. TOI 451 roterar var 5,1 dag, som är mer än fem gånger snabbare än solen.

TESS upptäcker nya världar genom att leta efter transiter, det lilla, regelbundna nedtoningar som uppstår när en planet passerar framför sin stjärna ur vårt perspektiv. Transiter från alla tre planeterna är tydliga i TESS-data. Newtons team fick mätningar från Spitzer som stödde TESS-fynden och hjälpte till att utesluta möjliga alternativa förklaringar. Ytterligare uppföljande observationer kom från Las Cumbres Observatory – ett globalt teleskopnätverk med huvudkontor i Goleta, Kalifornien – och Perth Exoplanet Survey Telescope i Australien.

Till och med TOI 451:s mest avlägsna planet kretsar tre gånger närmare än Merkurius någonsin närmar sig solen, så alla dessa världar är ganska heta och ogästvänliga för livet som vi känner det. Temperaturuppskattningar sträcker sig från cirka 2, 200 grader Fahrenheit (1, 200 grader Celsius) för den innersta planeten till cirka 840 F (450 C) för den yttersta.

TOI 451 b kretsar var 1,9:e dag, är ungefär 1,9 gånger jordens storlek, och dess uppskattade massa varierar från två till 12 gånger jordens. Nästa planet ut, TOI 451 c, slutför en omloppsbana var 9,2 dag, är ungefär tre gånger större än jorden, och håller mellan tre och 16 gånger jordens massa. Den längsta och största världen, TOI 451 d, cirklar stjärnan var 16:e dag, är fyra gånger så stor som vår planet, och väger mellan fyra och 19 jordmassor.

Astronomer förväntar sig att planeter så stora som dessa ska behålla mycket av sin atmosfär trots den intensiva värmen från deras närliggande stjärna. Olika teorier om hur atmosfärer utvecklas när ett planetsystem når TOI 451:s ålder förutspår ett brett utbud av egenskaper. Att observera stjärnljus som passerar genom atmosfären på dessa planeter ger en möjlighet att studera denna utvecklingsfas och kan hjälpa till att begränsa nuvarande modeller.

"Genom att mäta stjärnljus som penetrerar en planets atmosfär vid olika våglängder, vi kan härleda dess kemiska sammansättning och förekomsten av moln eller höghöjdsdimmor, sa Elisa Quintana, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "TOI 451:s planeter erbjuder utmärkta mål för sådana studier med Hubble och det kommande rymdteleskopet James Webb."

Observationer från WISE visar att systemet är ovanligt ljust i infrarött ljus, som är osynlig för mänskliga ögon, vid våglängder på 12 och 24 mikrometer. Detta tyder på närvaron av en skräpskiva, där steniga asteroidliknande kroppar kolliderar och mal sig till damm. Medan Newton och hennes team inte kan bestämma omfattningen av skivan, de föreställer sig det som en diffus ring av sten och damm centrerad ungefär lika långt från stjärnan som Jupiter är från vår sol.

Forskarna undersökte också en svag grannstjärna som visas cirka två pixlar bort från TOI 451 i TESS-bilder. Baserat på Gaia-data, Newtons team fastställde att denna stjärna var en gravitationsbunden följeslagare som ligger så långt från TOI 451 att dess ljus tar 27 dagar att komma dit. Faktiskt, forskarna tror att följeslagaren sannolikt är ett binärt system av två dvärgstjärnor av M-typ, var och en med cirka 45 % av solens massa och avger endast 2 % av sin energi.