En internationell grupp av samarbetspartners, inklusive forskare från NASA:s Jet Propulsion Laboratory och University of New Mexico, har upptäckt en ny, tempererad sub-Neptunus-storlek exoplanet med en 24-dagars omloppsperiod som kretsar kring en närliggande M-dvärgstjärna. Den senaste upptäckten erbjuder spännande forskningsmöjligheter tack vare planetens betydande atmosfär, liten stjärna, och hur snabbt systemet rör sig bort från jorden.

Forskningen, med titeln TOI-1231 b:A Temperated, Neptunus-stor planet som passerar den närliggande M3 Dwarf NLTT 24399, kommer att publiceras i ett kommande nummer av The Astronomical Journal. exoplaneten, TOI-1231 b, upptäcktes med hjälp av fotometriska data från Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) och följdes upp med observationer med hjälp av Planet Finder Spectrograph (PFS) på Magellan Clay-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet i Chile. PFS är ett sofistikerat instrument som upptäcker exoplaneter genom deras gravitationsinflytande på deras värdstjärnor. När planeterna kretsar runt sina värdar, de uppmätta stjärnhastigheterna varierar periodiskt, avslöjar den planetariska närvaron och information om deras massa och omloppsbana.

Observationsstrategin antagen av NASA:s TESS, som delar upp varje halvklot i 13 sektorer som undersöks i ungefär 28 dagar, producerar den mest omfattande sökningen i himlen efter transiterande planeter. Detta tillvägagångssätt har redan bevisat sin förmåga att upptäcka både stora och små planeter runt stjärnor som sträcker sig från solliknande ner till lågmassa M-dvärgstjärnor. M dvärgstjärnor, även känd som en röd dvärg, är den vanligaste typen av stjärna i Vintergatan och utgör cirka 70 procent av alla stjärnor i galaxen.

M-dvärgar är mindre och har en bråkdel av solens massa och har låg ljusstyrka. Eftersom en M-dvärg är mindre, när en planet av en given storlek passerar stjärnan, mängden ljus som blockeras av planeten är större, gör transiteringen lättare att upptäcka. Föreställ dig en jordliknande planet som passerar framför en stjärna lika stor som solen, det kommer att blockera en liten bit av ljus; men om den passerar framför en stjärna som är mycket mindre, andelen ljus som blockeras blir större. På sätt och vis, detta skapar en större skugga på stjärnans yta, göra planeter runt M-dvärgar lättare att upptäcka och lättare att studera.

Även om det möjliggör detektering av exoplaneter över himlen, TESS undersökningsstrategi producerar också betydande observationsbias baserat på omloppsperiod. Exoplaneter måste passera sina värdstjärnor minst två gånger inom TESS:s observationsområde för att detekteras med rätt period av Science Processing Operations Center (SPOC) pipeline och Quick Look Pipeline (QLP), som söker 2-minuters och 30-minuters kadens TESS-data, respektive. Eftersom 74 procent av TESS totala skyltäckning bara observeras i 28 dagar, majoriteten av TESS exoplaneter som upptäckts har perioder mindre än 14 dagar. TOI-1231bs 24-dagarsperiod, därför, gör dess upptäckt ännu mer värdefull.

NASA JPL-forskaren Jennifer Burt, tidningens huvudförfattare, tillsammans med sina medarbetare inklusive Diana Dragomir, en biträdande professor vid UNM:s institution för fysik och astronomi, mätte både radie och massa av planeten.

"Att arbeta med en grupp utmärkta astronomer spridda över hela världen, vi kunde sammanställa de data som var nödvändiga för att karakterisera värdstjärnan och mäta både radie och massa av planeten, ", sa Burt. "Dessa värden i sin tur tillät oss att beräkna planetens bulkdensitet och göra en hypotes om vad planeten är gjord av. TOI-1231 b är ganska lika i storlek och densitet som Neptunus, så vi tror att den har en liknande stor, gasformig atmosfär."

"En annan fördel med exoplaneter som kretsar kring M dvärgvärdar är att vi kan mäta deras massor lättare eftersom förhållandet mellan planetmassan och stjärnmassan också är större. När stjärnan är mindre och mindre massiv, det gör att detekteringsmetoderna fungerar bättre eftersom planeten plötsligt spelar en större roll eftersom den lättare sticker ut i förhållande till stjärnan, " förklarade Dragomir. "Som skuggan kastade på stjärnan. Ju mindre stjärnan, ju mindre massiv stjärnan, desto mer kan effekten av planeten upptäckas.

"Även om TOI 1231b är åtta gånger närmare sin stjärna än jorden är solen, dess temperatur liknar jordens, tack vare dess svalare och mindre ljusstarka värdstjärna, " säger Dragomir. "Men, planeten i sig är faktiskt större än jorden och lite mindre än Neptunus – vi skulle kunna kalla den en sub-Neptunus."

Burt och Dragomir, som faktiskt initierade denna forskning medan de var Fellows vid MIT:s Kavli Institute, arbetat med forskare som specialiserat sig på att observera och karakterisera atmosfären på små planeter för att ta reda på vilka nuvarande och framtida rymdbaserade uppdrag som skulle kunna titta in i TOI-1231 b:s yttre lager för att informera forskare exakt vilka typer av gaser som virvlar runt planeten. Med en temperatur runt 330 Kelvin eller 140 grader Fahrenheit, TOI-1231b är en av de coolaste, små exoplaneter tillgängliga för atmosfäriska studier upptäckta hittills.

Tidigare forskning tyder på att planeter som är så kalla kan ha moln högt uppe i atmosfären, vilket gör det svårt att avgöra vilka typer av gaser som omger dem. Men nya observationer av en annan liten, den coola planeten K2-18 b bröt denna trend och visade tecken på vatten i atmosfären, överraskande många astronomer.

"TOI-1231 b är en av de enda andra planeterna vi känner till i en liknande storlek och temperaturområde, så framtida observationer av denna nya planet kommer att låta oss avgöra hur vanligt (eller sällsynt) det är att vattenmoln bildas runt dessa tempererade världar, sa Burt.

Dessutom, med värdstjärnans höga ljusstyrka nära infraröd (NIR), det är ett spännande mål för framtida uppdrag med Hubble Space Telescope (HST) och James Webb Space Telescope (JWST). Den första uppsättningen av dessa observationer, ledd av en av tidningens medförfattare, bör ske senare denna månad med hjälp av rymdteleskopet Hubble.

"Den låga densiteten hos TOI 1231b indikerar att den är omgiven av en betydande atmosfär snarare än att vara en stenig planet. Men sammansättningen och omfattningen av denna atmosfär är okänd!" sa Dragomir. "TOI1231b kan ha en stor väte- eller väte-heliumatmosfär, eller en tätare vattenångatmosfär. Var och en av dessa skulle peka på ett annat ursprung, låter astronomer förstå om och hur planeter bildas annorlunda runt M-dvärgar jämfört med planeterna runt vår sol, till exempel. Våra kommande HST-observationer kommer att börja besvara dessa frågor, och JWST lovar en ännu mer grundlig titt på planetens atmosfär."

Ett annat sätt att studera planetens atmosfär är att undersöka om gas blåser bort, genom att leta efter bevis på atomer som väte och helium som omger planeten när den passerar över dess värdstjärna. Rent generellt, väteatomer är nästan omöjliga att upptäcka eftersom deras närvaro är maskerad av interstellär gas. Men detta planet-stjärnsystem erbjuder en unik möjlighet att tillämpa denna metod på grund av hur snabbt det rör sig bort från jorden.

"Ett av de mest spännande resultaten från de senaste två decennierna av exoplanetvetenskap är att, än så länge, inget av de nya planetsystem vi har upptäckt liknar vårt eget solsystem, " sa Burt. "De är fulla av planeter mellan jordens storlek och Neptunus på banor som är mycket kortare än Mercurys, så vi har inga lokala exempel att jämföra dem med. Den här nya planeten vi har upptäckt är fortfarande konstig – men den är ett steg närmare att vara ungefär som våra grannskapsplaneter. Jämfört med de flesta transitplaneter som hittills upptäckts, som ofta har brännande temperaturer i många hundra eller tusentals grader, TOI-1231 b är positivt kall."

Avslutningsvis, Dragomir reflekterar att "den här planeten ansluter sig till raden av bara två eller tre andra närliggande små exoplaneter som kommer att granskas med varje chans vi får och med ett brett utbud av teleskop, i många år framöver så håll utkik efter nya TOI1231b-utvecklingar!"

Denna artikel är i press kl The Astronomical Journal .