När vi utforskar två exoplaneter i ett ljust närliggande stjärnsystem, ESA:s exoplanetjaktande Cheops-satellit har oväntat sett systemets tredje kända planet korsa stjärnans ansikte. Denna transit avslöjar spännande detaljer om en sällsynt planet "utan någon känd motsvarighet, säger forskarna.

Upptäckten är ett av de första resultaten från ESA:s Cheops (CHaracterising ExOPlanet Satellite), och första gången en exoplanet med en period på över 100 dagar har upptäckts passera en stjärna som är tillräckligt ljus för att vara synlig för blotta ögat.

heter Nu2 Lupi, detta ljusa, Solliknande stjärna ligger knappt 50 ljusår från jorden i stjärnbilden Lupus (Vargen). Under 2019, High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) vid ESO 3,6-metersteleskopet i Chile upptäckte tre exoplaneter (med namnet "b, " "c" och "d, " med stjärnan som anses vara objekt "A") i systemet, med massor mellan jordens och Neptunus och banor som varar 11,6, 27,6 och 107,6 dagar. De två innersta av dessa planeter – b och c – befanns sedan passera Nu2 Lupi av NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), vilket gör den till en av endast tre stjärnor med blotta ögat kända för att vara värd för flera transitplaneter.

"Transitsystem som Nu2 Lupi är av största vikt för vår förståelse av hur planeter bildas och utvecklas, eftersom vi kan jämföra flera planeter runt samma ljusa stjärna i detalj, " säger Laetitia Delrez vid universitetet i Liège, Belgien, och huvudförfattare till det nya fyndet.

"Vi bestämde oss för att bygga på tidigare studier av Nu2 Lupi och observera planeterna b och c som korsar Nu2 Lupis ansikte med Cheops, men under en transit av planet c såg vi något fantastiskt:En oväntad transit av planet 'd, ' som ligger längre ut i systemet."

Planetariska transiter skapar en värdefull möjlighet att studera en planets atmosfär, bana, storlek och interiör. En transitplanet blockerar en liten men detekterbar andel av sin stjärnas ljus när den korsar framför sin stjärna - och det var denna droppe i ljus som ledde Laetitia och kollegor till deras upptäckt. När exoplaneter under lång tid kretsar så långt från sina stjärnor, chansen att se en under en transit är otroligt låg, gör Cheops hitta en riktig överraskning.

Genom att använda Cheops högprecisionsfunktioner, Planeten d visade sig vara ungefär 2,5 gånger jordens radie, bekräftat att det tar drygt 107 dagar att gå en gång runt sin stjärna, och med hjälp av arkivobservationer från markbaserade teleskop, visade sig ha en massa på 8,8 gånger jordens.

"Mängden stjärnstrålning som når planet d är också mild i jämförelse med många andra upptäckta exoplaneter; i vårt solsystem, Nu2 Lupi d skulle kretsa mellan Merkurius och Venus, ", tillägger medförfattare David Ehrenreich vid universitetet i Genève, Schweiz. "Kombinerat med sin ljusa moderstjärna, lång omloppsperiod, och lämplighet för uppföljande karaktärisering, detta gör planet d enormt spännande – det är ett exceptionellt objekt utan någon känd motsvarighet, och kommer säkerligen att vara ett gyllene mål för framtida studier."

De flesta exoplaneter under lång tid som hittills upptäckts har hittats runt stjärnor som är för svaga för att tillåta detaljerade uppföljningsobservationer, vilket betyder att lite är känt om deras planeters egenskaper. Nu2 Lupi, dock, är tillräckligt ljus för att vara ett attraktivt mål för andra kraftfulla teleskop baserade i rymden – som NASA/ESA rymdteleskop Hubble eller kommande NASA/ESA/CSA James Webb rymdteleskop – eller stora observatorier på marken.

"Med tanke på dess övergripande egenskaper och omloppsbana, detta gör planet d till ett unikt gynnsamt mål för att studera en exoplanet med en atmosfär med mild temperatur runt en stjärna som liknar solen, säger Laetitia.

Genom att kombinera ny Cheops-data med arkivdata från andra observatorier, forskarna kunde exakt bestämma medeldensiteten för alla Nu2 Lupis kända planeter, och sätter starka begränsningar på deras möjliga kompositioner.

De fann att planet b huvudsakligen var stenig, medan planeterna c och d verkar innehålla stora mängder vatten inkapslat i höljen av väte och heliumgaser. Faktiskt, planeterna c och d innehåller mycket mer vatten än jorden:en fjärdedel av varje planets massa består av vatten, jämfört med mindre än 0,1 % för jorden. Detta vatten, dock, är inte flytande, i stället i form av högtrycksis eller högtemperaturånga.

"Medan ingen av dessa planeter skulle vara beboelig, deras mångfald gör systemet ännu mer spännande, och en stor framtidsutsikt för att testa hur dessa kroppar bildas och förändras över tiden, " säger ESA Cheops projektforskare Kate Isaak. "Det finns också potential att söka efter ringar eller månar i Nu2 Lupi-systemet, eftersom Cheops utsökta precision och stabilitet kunde tillåta upptäckt av kroppar ner till ungefär Mars storlek."

Cheops är designad för att samla in ultrahög precisionsdata från enskilda stjärnor som är kända för att vara värdplaneter, snarare än att svepa mer allmänt efter möjliga exoplaneter runt många stjärnor – och denna fokusering och precision visar sig vara exceptionellt användbar för att förstå stjärnsystemen runt omkring oss.

"Dessa spännande resultat visar än en gång Cheops enorma potential, ", tillägger Kate. "Cheops kommer att tillåta oss att inte bara bättre förstå kända exoplaneter, som visas i detta och andra tidiga resultat från uppdraget, men också för att upptäcka nya och avslöja deras hemligheter."